趙祎來(lái)

摘要：在機(jī)械工程領(lǐng)域中，靈活運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)能夠提升機(jī)械工程技術(shù)發(fā)展水平?；诖?，本文詳細(xì)闡述了多體動(dòng)力學(xué)在機(jī)械臂、車用發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)械產(chǎn)品優(yōu)化、PCB數(shù)控鉆床這幾個(gè)機(jī)械工程領(lǐng)域方面中的應(yīng)用，深入分析了基于多體動(dòng)力學(xué)的機(jī)械工程領(lǐng)域，希望能夠?yàn)闄C(jī)械工程領(lǐng)域的不斷進(jìn)步提供助力。

關(guān)鍵詞：機(jī)械工程;機(jī)械手臂;數(shù)控鉆床

引言：多體動(dòng)力學(xué)主要是指一門研究由若干個(gè)剛性與柔性物體所連接成系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)科，該學(xué)科的內(nèi)容主要包含柔體、剛體兩個(gè)方面，能夠弱化機(jī)械工程中計(jì)算推導(dǎo)的難度，因此工作者需要深入分析該學(xué)科在機(jī)械工程領(lǐng)域的應(yīng)用方法，并采取有效措施，強(qiáng)化多體動(dòng)力學(xué)的應(yīng)用效果，加快推動(dòng)機(jī)械工程的發(fā)展進(jìn)程。

一、在機(jī)械臂構(gòu)建上的應(yīng)用

（一）工業(yè)機(jī)械臂性能建設(shè)

從目前來(lái)看，工業(yè)制造業(yè)的發(fā)展離不開機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)，而該技術(shù)的落實(shí)很大程度依賴于工業(yè)機(jī)械臂，它作為實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)設(shè)施，工作者需要先基于實(shí)際條件和工作要求，借助多體運(yùn)動(dòng)力學(xué)來(lái)構(gòu)建臂模型，才能逐步完成其的制作和推廣應(yīng)用。從多體運(yùn)動(dòng)力學(xué)角度來(lái)看，工業(yè)機(jī)械臂主要由1個(gè)分支與6個(gè)自由度，采用固定體的部件連接方式所構(gòu)成，工作者通常會(huì)基于多體運(yùn)動(dòng)力學(xué)，來(lái)計(jì)算出機(jī)械臂的剛度系數(shù)、當(dāng)量阻尼系數(shù)，確保其性能滿足工業(yè)生產(chǎn)要求。以最具代表性的PUMA760機(jī)械臂為例，該類型機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)是通過(guò)高速攝像儀，結(jié)合頻率域、時(shí)間域，將測(cè)量得出的電樞電流值轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)距，然后基于得出的具體數(shù)值，來(lái)設(shè)置自身的參數(shù)，保障其應(yīng)用效果。在此過(guò)程中，該機(jī)械臂系統(tǒng)的運(yùn)行，主要依賴于多體動(dòng)力學(xué)的逆運(yùn)算結(jié)果，并獲得準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)矩平均值，同時(shí)，將靜態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)化為物理參數(shù)，得出最終的阻尼系數(shù)、剛度系數(shù)。

（二）航天機(jī)械臂構(gòu)建

航天機(jī)械臂的作用原理為柔性機(jī)械臂振動(dòng)控制，其具有精度高、質(zhì)量輕的特質(zhì)，主要用于一些精度要求高、范圍大的位置跟蹤業(yè)務(wù)中，因此，該類型機(jī)械臂的構(gòu)建要點(diǎn)為強(qiáng)化振動(dòng)控制效果。但在此過(guò)程中，由于該類型機(jī)械臂極其容易受到鞭狀天線的影響，造成衛(wèi)星振動(dòng)問(wèn)題，使得如何保持其穩(wěn)定狀態(tài)成為了又一個(gè)重點(diǎn)研究課題。為此，工作者通常會(huì)以多體運(yùn)動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)理論依據(jù)，根據(jù)其中的柔性多體系統(tǒng)知識(shí)，來(lái)落實(shí)莫泰法或有限段法，實(shí)現(xiàn)航天機(jī)械臂的端頭振動(dòng)控制，同時(shí)，也可以向設(shè)備端頭再施加一個(gè)制動(dòng)力，制約機(jī)械臂的振動(dòng)，優(yōu)化航天機(jī)械臂的大范圍位置跟蹤能力。

二、在車用發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用

（一）多剛體系動(dòng)力學(xué)應(yīng)用

一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于車用發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，多體運(yùn)動(dòng)力學(xué)在理論上的應(yīng)用主要體現(xiàn)在基于多剛體系統(tǒng)力學(xué)模型計(jì)算方面，工作者經(jīng)常會(huì)結(jié)合機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)、多剛體系統(tǒng)力學(xué)原理，來(lái)構(gòu)建程式化的數(shù)據(jù)模型，然后將該模型的計(jì)算機(jī)理，開發(fā)成軟件。之后，在發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)中，工作者通過(guò)向該軟件中直接輸入所需參數(shù)條件，即可對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)模型進(jìn)行程式化的處理，增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。在此過(guò)程中，其中的計(jì)算方法、數(shù)值積分方法，能夠自動(dòng)得到多體動(dòng)力學(xué)理論的響應(yīng)，同時(shí)，工作者借助現(xiàn)代化的可視技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)以數(shù)據(jù)、圖表、動(dòng)圖等相結(jié)合的方式，來(lái)展現(xiàn)車用發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)效果，提高了多體運(yùn)動(dòng)力學(xué)的應(yīng)用效果。

（二）虛擬樣機(jī)分析法應(yīng)用

虛擬樣機(jī)分析法的應(yīng)用主要是基于多柔體動(dòng)力學(xué)，該項(xiàng)動(dòng)力學(xué)作為多體運(yùn)動(dòng)力學(xué)的內(nèi)容之一，其中應(yīng)用方法主要為牛頓-歐拉方程、拉格朗日方程、高斯極值原理等方法。現(xiàn)階段，可以用于發(fā)動(dòng)機(jī)的虛擬樣機(jī)技術(shù)產(chǎn)品，已經(jīng)有20余種類，它們基本都是以CAD、MS為基本技術(shù)，能夠建立發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部各個(gè)構(gòu)建的三維立體模型，然后圍繞多體運(yùn)動(dòng)力學(xué)，搭建虛擬樣機(jī)模型，消除了仿真分析中的簡(jiǎn)化誤差，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)各荷載之間影響的充分分析，提高了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和完整性。以發(fā)動(dòng)機(jī)中的曲柄連桿機(jī)構(gòu)分析為例，系統(tǒng)會(huì)在分析中采用拉格朗日方程、牛頓-歐拉方程等方式，構(gòu)建出活塞位移、活塞速度、連桿角位移等動(dòng)力學(xué)分析方程，如：X=（R+L）-（Rcosα+Lcosβ）、v=RW（sinα+λ/2*sin2α）、a=RW2（cosα+λcos2α）、β=λsinα[1+1/6λ2sin2α]，然后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)質(zhì)量換算、激動(dòng)力分析等環(huán)節(jié)，得出計(jì)算結(jié)果，以便于工作者進(jìn)行優(yōu)化處理。

三、在優(yōu)化機(jī)械產(chǎn)品性能上的應(yīng)用

（一）傳統(tǒng)優(yōu)化方式的應(yīng)用

在物理環(huán)境中，機(jī)械產(chǎn)品的優(yōu)化需要工作者基于多體動(dòng)力學(xué)，來(lái)研究其在運(yùn)作過(guò)程中呈現(xiàn)出的運(yùn)動(dòng)、受力等接觸關(guān)系，然后在此基礎(chǔ)上，判定機(jī)械產(chǎn)品是否符合實(shí)際使用需求。但在傳統(tǒng)的多體運(yùn)動(dòng)力學(xué)應(yīng)用中，人們往往會(huì)將一些機(jī)械運(yùn)行中存在的規(guī)律性接觸關(guān)系進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，并構(gòu)建出相應(yīng)的建模元件，如力元、運(yùn)動(dòng)副鉸接等，進(jìn)而提高建模效率和精度。然而在這種應(yīng)用方法下，性能分析結(jié)果中通常會(huì)存在簡(jiǎn)化誤差，同時(shí)，機(jī)械在很多工況下的接觸關(guān)系無(wú)規(guī)律可循，導(dǎo)致傳統(tǒng)的多體運(yùn)動(dòng)力學(xué)應(yīng)用難以達(dá)到預(yù)期的精度和效率。但現(xiàn)階段，人們已經(jīng)開始使用相應(yīng)的軟件，來(lái)進(jìn)行高效計(jì)算，能夠在一定程度上彌補(bǔ)傳統(tǒng)應(yīng)用方式在效率上存在的不足。

（二）基于軟件的優(yōu)化方式應(yīng)用

為了深入優(yōu)化機(jī)械產(chǎn)品的使用性能，人們開始不斷地追求高精度、高效率的接觸仿真分析技術(shù)，并在多體運(yùn)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)上，研發(fā)了Simpack仿真軟件，實(shí)現(xiàn)了基于多邊形接觸方法的非規(guī)律性接觸關(guān)系分析，相較于傳統(tǒng)的多體運(yùn)動(dòng)力學(xué)原理應(yīng)用方式，該軟件具有參數(shù)輸入方便、精度高、速度快等優(yōu)勢(shì)，能夠使分析結(jié)果更加準(zhǔn)確和全面，有助于機(jī)械產(chǎn)品性能的發(fā)展。在此過(guò)程中，多邊形接觸方法，即PCM接觸方法，采用的是離散幾何表面分析法，如SIMBEAM離散梁、導(dǎo)入的外部CAD等，使得系統(tǒng)中的幾何體可以自動(dòng)進(jìn)行表面多邊形離散化，以便于軟件全面地分析幾何體表面存在的所有接觸點(diǎn)。此外，在使用中，工作者需要注意，接觸剛度參數(shù)應(yīng)使用默認(rèn)值1E5 N/mm，如果得出的仿真結(jié)果存在問(wèn)題，再調(diào)整該數(shù)值，保障分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

四、在PCB數(shù)控鉆床建模仿真中的應(yīng)用

（一）建模

現(xiàn)階段，PCB數(shù)控床模型構(gòu)建和優(yōu)化的主要目標(biāo)是為了使其能夠更好地實(shí)現(xiàn)高效、高精度的深孔、微細(xì)孔加工。在此過(guò)程中，工作者可以利用多體運(yùn)動(dòng)力學(xué)，構(gòu)建一個(gè)零件實(shí)體模型，來(lái)探討其實(shí)際運(yùn)作與內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，然后根據(jù)作業(yè)需求，來(lái)改善數(shù)控鉆床的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提升其作業(yè)水平。在建模中，工作者可以利用CAD軟件，在UG中構(gòu)建零件模型，然后輸入密度等屬性參數(shù)，再通過(guò)ADAMS軟件，計(jì)算出零件的慣性矩、質(zhì)量，同時(shí)，還要考慮零件的受力變形情況，通過(guò)有限單元，來(lái)對(duì)PCB數(shù)控鉆床進(jìn)行彈性體離散處理。之后，在ADAMS軟件中將離散出的彈性體，按照柔性體進(jìn)行建模，最后再建立系統(tǒng)約束關(guān)系，形成一個(gè)完整的PCB數(shù)控鉆床模型。

（二）仿真分析

仿真分析作為尋找PCB數(shù)控鉆床優(yōu)化處理結(jié)構(gòu)點(diǎn)的主要途徑，工作者需要基于多體運(yùn)動(dòng)力學(xué)，來(lái)模擬鉆床在進(jìn)行高效、高精度的深孔、微細(xì)孔加工作業(yè)時(shí)的運(yùn)作。在此過(guò)程中，工作者需要借助非線性方程，來(lái)求解構(gòu)件位置、速度、時(shí)間三者之間的關(guān)系，然后模擬出鉆床鉆頭在高效、高精度作業(yè)時(shí)的速度、位移等參數(shù)，向工作者反饋出鉆床多剛體模型的運(yùn)行特質(zhì)和效果。之后，模擬出鉆床鉆頭在作業(yè)時(shí)的力學(xué)特質(zhì)，如連接點(diǎn)的彈性、形變、阻力等，全面反映出，鉆頭在作業(yè)期間呈現(xiàn)出柔性多體效應(yīng)。最后，工作者基于此，即可針對(duì)PCB數(shù)控鉆床進(jìn)行改善，提高其使用效果。

結(jié)論：綜上所述，在機(jī)械工程領(lǐng)域建設(shè)中充分發(fā)揮多體運(yùn)動(dòng)力學(xué)的效用能夠促進(jìn)機(jī)械化的發(fā)展。在機(jī)械領(lǐng)域中，多體運(yùn)動(dòng)力學(xué)的應(yīng)用可以強(qiáng)化機(jī)械臂使用性能、增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化效果、提高機(jī)械產(chǎn)品優(yōu)化效率、優(yōu)化制造業(yè)生產(chǎn)水平，從而促進(jìn)我國(guó)各領(lǐng)域的自動(dòng)化、智能化發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]董春暉，董鈺.計(jì)算機(jī)智能控制技術(shù)在工程機(jī)械領(lǐng)域中的應(yīng)用分析[J].南方農(nóng)機(jī)，2020，51（06）：156.

[2]李道力，于珈懿，高粼澤.多體動(dòng)力學(xué)在機(jī)械工程領(lǐng)域的應(yīng)用[J].湖北農(nóng)機(jī)化，2019（12）：33.