机械工程中的多体系统动力学问题
机械系统的多体动力学分析与控制
机械系统的多体动力学分析与控制机械系统是由多个刚体组成的复杂系统，其运动行为由力学学科中的多体动力学进行描述和分析。
多体动力学研究的是多个刚体在给定约束下的运动规律和相互作用，为了对机械系统进行准确的分析和控制，多体动力学的理论和方法显得尤为重要。
在研究机械系统的多体动力学之前，我们需要先了解多体系统的基本概念和关键元素。
一个多体系统由多个刚体组成，每个刚体都有自己的质量、几何形状和运动状态。
这些刚体之间通过关节、轴承等约束相互连接，形成一个整体的运动系统。
多体动力学的分析过程通常分为建模、动力学方程的建立和求解三个步骤。
在建模阶段，我们需要确定系统的质量分布、几何形状和约束条件。
通过采用刚体的质心坐标系或者自定义坐标系，可以方便地描述刚体的位置、速度和加速度。
同时，刚体之间的相互作用力和力矩也是建模过程中需要考虑的重要因素。
在动力学方程的建立阶段，我们利用牛顿定律、运动学关系等基本原理，推导出描述机械系统运动行为的动力学方程。
这些方程通常是由刚体的平动方程和转动方程组成，并包含了刚体之间的约束方程。
对于一个N个自由度的多体系统，动力学方程的求解通常需要采用数值计算方法。
在多体动力学的求解过程中，为了准确地描述和控制系统的运动行为，我们还需要考虑刚体的非线性特性和约束的刚性度。
在现实系统中，刚体的非线性特性常常会导致系统的频率分布和模态特征的变化，而约束的刚性度则会影响系统的动力学性能和稳定性。
针对机械系统的多体动力学分析和控制，现代工程学科提供了丰富的方法和工具。
有限元方法、多体仿真系统以及控制理论和方法等等，都为机械系统的分析和控制提供了一定的支持。
有限元方法可以对系统进行准确的建模和分析，多体仿真系统则可以对系统的运动行为进行模拟和验证。
而控制理论和方法则可以针对系统的动力学特性进行优化和调节，以达到所需的运动控制目标。
机械系统的多体动力学分析和控制在各个领域中都具有广泛的应用。
在机械工程领域，对机械系统进行多体动力学分析可以帮助设计师理解和改进系统的结构和性能。
机械系统的多体动力学建模与仿真研究
机械系统的多体动力学建模与仿真研究机械系统是将各种机械构件组合在一起，通过各种力和运动的相互作用来完成特定功能的系统。
多体动力学是研究机械系统中各个构件之间的相互作用和运动规律的学科，是机械系统设计和优化的重要工具。
本文将针对机械系统的多体动力学建模与仿真进行探讨。
一、多体动力学建模的概念与方法多体动力学建模的目的是描述机械系统中各个构件之间的相互作用规律和受力情况，以及构件的运动规律。
建模的过程主要包括以下几个步骤：确定系统中的构件、建立约束和受力模型、求解运动方程、分析系统的运动行为。
在多体动力学建模中，最关键的一步是建立约束和受力模型。
约束模型描述系统中的约束条件，包括几何约束和运动约束。
几何约束是指构件之间的相对位置关系，例如长度限制、角度限制等；运动约束是指构件之间的相对运动关系，例如某些部件必须相对静止或者具有特定的运动轨迹。
受力模型描述系统中的力学作用，包括外部作用力和内部作用力。
外部作用力可以是重力、弹簧力、摩擦力等，内部作用力可以是构件之间的约束反力、弹簧的弹力等。
求解运动方程是多体动力学建模的核心内容。
运动方程描述系统中各个构件的运动规律，包括位移、速度和加速度等。
求解运动方程的方法主要有几何法、虚功原理和拉格朗日方程等。
几何法是利用构件的几何关系推导出运动方程，适用于简单的机械系统。
虚功原理是将系统的动力学方程转化为广义坐标的变分问题，通过最小化虚功表示的系统势能来求解运动方程。
拉格朗日方程是通过系统的动能和势能构建哈密顿量，然后通过求解欧拉-拉格朗日方程来得到运动方程。
二、多体动力学仿真的方法与应用多体动力学仿真是利用计算机模拟机械系统的运动行为的过程。
仿真可以帮助工程师验证设计方案的可行性和合理性，提前发现问题并进行优化。
多体动力学仿真的方法主要有几种，包括基于解析方法的仿真和基于数值方法的仿真。
基于解析方法的仿真主要是利用建立的多体动力学模型，通过数学的推导和计算得到系统的运动规律。
机械设计中的多体动力学分析
机械设计中的多体动力学分析1. 引言机械设计是一门工程学科，涉及到各种机械系统的设计和优化。
在机械设计过程中，多体动力学分析是至关重要的一环。
通过对机械系统的多体动力学分析，可以深入了解系统的运动特性、力学行为和能量转换过程。
本文将探讨机械设计中的多体动力学分析的应用和意义。
2. 多体动力学的基本概念多体动力学是研究多个物体之间相互作用的力学学科。
在机械设计中，多体动力学分析主要用于研究和预测机械系统的运动行为和受力情况。
通过建立多体动力学模型，可以分析机械系统中各个部件之间的相对运动、受力以及能量转化过程。
3. 多体动力学分析的重要性多体动力学分析在机械设计中具有重要意义。
首先，它能够帮助工程师了解机械系统的运动特性。
通过对多体动力学模型建立和求解，可以获得机械系统的运动轨迹、速度、加速度等相关信息，从而对系统的设计进行优化。
其次，多体动力学分析可以评估机械系统的受力情况。
通过对系统中各个部件的受力分析，可以确定关键部件的受力情况，有助于优化设计以避免过大的应力和变形。
此外，多体动力学分析还可以帮助工程师理解机械系统的能量转换和能量损耗过程，从而优化系统的能量利用效率。
4. 多体动力学分析的步骤和方法在进行多体动力学分析时，一般需要经过以下几个步骤：建立模型、建立约束方程、求解运动方程和分析结果。
建立模型是多体动力学分析的前提，它包括确定多体系统的几何和质量特性以及各组件之间的相互作用。
建立约束方程是为了描述系统中各个部件之间的运动约束关系，通过约束方程可以将系统的复杂运动约束化为简单的数学方程。
求解运动方程是多体动力学分析的核心，它通常采用数值方法，如欧拉法、四阶龙格库塔法等，通过迭代计算可以得到各个时刻系统的运动状态。
分析结果是对多体动力学分析的总结和评估，可以通过绘制相关的图表和曲线来直观地展示系统的运动特性和受力情况。
5. 多体动力学分析的应用案例多体动力学分析在机械设计中有着广泛的应用。
多体系统的动力学模型简化方法研究
多体系统的动力学模型简化方法研究在工程和科学的众多领域中，多体系统的研究具有极其重要的地位。
从机械工程中的复杂机械结构到航空航天领域的飞行器，从生物力学中的人体运动分析到机器人技术的应用，多体系统无处不在。
然而，由于多体系统的复杂性，直接对其进行精确建模和分析往往计算量巨大，甚至在某些情况下是不现实的。
因此，寻求有效的动力学模型简化方法成为解决实际问题的关键。
多体系统动力学模型的复杂性主要源于其组成部分的多样性和相互作用的复杂性。
一个典型的多体系统可能包括刚体、柔体、关节、约束以及各种力和力矩的作用。
在建立模型时，需要考虑物体的几何形状、质量分布、惯性特性等诸多因素，这使得模型的自由度通常非常高，计算难度极大。
为了简化多体系统的动力学模型，一种常见的方法是集中质量法。
这种方法将系统中的物体看作具有集中质量的质点，通过忽略物体的形状和内部结构，大大减少了模型的自由度。
例如，在研究机械臂的运动时，可以将每个连杆视为一个集中质量点，只考虑其质心的运动。
虽然这种方法在一定程度上简化了模型，但也会导致精度的损失，尤其是在物体的形状和质量分布对系统性能有重要影响的情况下。
另一种简化方法是模态综合法。
该方法基于系统的模态特性，将系统的运动分解为一系列模态的叠加。
通过选取主要的模态，可以在保持一定精度的同时显著降低模型的复杂度。
例如，在分析桥梁的振动时，可以只考虑前几阶对振动贡献较大的模态，而忽略高阶模态的影响。
然而，模态综合法的应用需要准确地获取系统的模态信息，这在一些复杂的多体系统中可能并非易事。
子结构法也是一种有效的简化策略。
它将多体系统划分为若干个子结构，分别对每个子结构进行建模和分析，然后通过连接条件将子结构组合起来。
这种方法可以将复杂的系统分解为相对简单的部分进行处理，提高了建模和计算的效率。
比如，在汽车悬架系统的分析中，可以将悬架的各个部件作为子结构进行单独研究。
在实际应用中，还常常采用等效模型的方法。
多体动力学分析在机械系统中的应用研究
多体动力学分析在机械系统中的应用研究引言：机械系统是指由多个相互连接的部件组成的系统，如机械传动系统、机械振动系统等。
这些系统中的部件相互作用，导致整个系统的运动特性发生变化。
因此，对机械系统进行分析和研究，是提高机械系统性能、优化设计的重要手段。
多体动力学分析是一种研究机械系统运动特性的方法，广泛应用于工程领域。
本文将重点从分析原理、数值模拟以及实际应用三个方面，阐述多体动力学分析在机械系统中的应用研究。
一、分析原理多体动力学分析是基于牛顿运动定律和能量守恒原理的力学分析方法。
通过建立机械系统的运动方程，求解运动特性，实现对系统的全面分析。
在多体动力学分析中，通常采用拉格朗日方程或牛顿-欧拉方程作为运动方程。
拉格朗日方程适用于广义坐标存在的情况，而牛顿-欧拉方程适用于利用欧拉角描述机械系统运动特性的情况。
二、数值模拟多体动力学分析在机械系统中的应用一般通过数值模拟来实现。
数值模拟是指将问题的连续性方程离散化，并通过迭代求解来获取问题的数值解。
在多体动力学分析中，常用的数值方法包括有限差分法、有限元法和质点法等。
其中，质点法适用于对机械系统整体运动的分析，有限差分法适用于求解常微分方程，有限元法则适用于求解偏微分方程。
通过选择合适的数值方法，可以准确地模拟机械系统的运动特性。
三、实际应用多体动力学分析在机械系统中有着广泛的应用。
以机械传动系统为例，多体动力学分析可以用于分析传动系统中各个部件的动力学特性，如轴承力、齿轮啮合力等。
通过分析这些力的大小和方向，可以评估机械传动系统的工作状况，并进行优化设计。
此外，多体动力学分析还可以用于分析机械振动系统的动力学特性，如共振频率、振幅等。
在机械系统的设计和制造过程中，多体动力学分析可以指导系统的结构设计，提高系统的性能。
结论：多体动力学分析是一种研究机械系统运动特性的重要方法，通过分析原理、数值模拟和实际应用三个方面的阐述，可以看出多体动力学分析在机械系统中的应用研究具有重要意义。
机械传动系统的多体动力学特性分析与优化
机械传动系统的多体动力学特性分析与优化机械传动系统在现代工程和制造领域中起着举足轻重的作用。
它们将动力源转化成机械运动，使各种机器设备能够正常工作。
然而，由于传动系统自身的特性和工作环境的影响，它们面临着许多挑战，如能量损失、功率传递效率低下、噪声和振动等问题。
因此，对机械传动系统的多体动力学特性进行分析和优化是一项重要的任务。
一、机械传动系统的多体动力学特性分析机械传动系统由多个零件组成，它们之间通过齿轮、链条、带等传动装置连接。
这些连接装置会引入非线性和刚柔耦合等动态特性。
因此，了解传动系统的多体动力学特性对于优化传动装置的设计和性能提升至关重要。
首先，研究者通常采用有限元方法对机械传动系统进行建模和模拟，以了解其动态响应。
有限元分析可以考虑各种因素，如零件刚度、几何形状、材料特性等，并确定力和位移的传递路径。
其次，对于传动系统的振动特性，研究者需要考虑质量不平衡、齿轮啮合、链条张紧等因素的影响。
这些因素会导致系统的共振现象和振动增强，从而影响传动装置的稳定性和工作寿命。
最后，噪声是机械传动系统中一个不可忽视的问题。
例如，高速旋转齿轮的啮合会产生强烈的噪声。
因此，研究者需要对传动系统的噪声特性进行分析和评估，以便采取适当的措施来减少噪声产生。
二、机械传动系统的多体动力学特性优化在了解了机械传动系统的多体动力学特性之后，优化传动装置的设计和性能成为重要的任务。
优化传动系统可以提高功率传递效率，减少能量损失，改善工作稳定性和减少振动和噪声。
优化设计可以从多个方面入手。
例如，通过选择合适的齿轮材料和热处理工艺，可以提高齿轮的硬度和耐磨性，减少啮合噪声。
另外，合理选择减振装置和减振材料，能够有效降低传动系统的振动。
此外，优化传动装置的润滑和冷却系统也是重要的一环。
适当的润滑剂和润滑方法可以减少传动装置的摩擦和磨损，并改善功率传递效率。
同时，良好的冷却系统可以有效降低传动装置的工作温度，提高其使用寿命。
机械多体系统动力学
机械多体系统动力学机械多体系统动力学是研究多个物体之间相互作用和运动规律的一门学科。
它涉及到刚体、弹性体等物体的运动学和动力学问题，是机械工程、航天航空等领域的重要基础理论之一。
在机械多体系统动力学中，我们关注的是多个物体之间的相对运动以及受力情况。
为了描述这些物体的运动，我们需要建立数学模型来表示它们的位置、速度和加速度等物理量。
通过对这些物理量的分析，我们可以得到物体之间的相互作用力以及它们的运动规律。
在机械多体系统中，物体之间的相互作用力可以分为两类：内力和外力。
内力是指物体内部不同部分之间的相互作用力，例如弹簧的弹力、杆件的轴向力等。
外力则是物体受到的外部作用力，例如重力、摩擦力等。
通过对这些力的分析，我们可以得到物体的受力情况，并进一步推导出物体的运动规律。
机械多体系统动力学的研究方法主要有两种：拉格朗日方法和牛顿-欧拉方法。
拉格朗日方法是一种基于能量原理的方法，通过建立广义坐标和广义力的关系，可以得到物体的运动方程。
牛顿-欧拉方法则是一种基于牛顿定律的方法，通过建立每个物体的受力平衡方程，可以得到物体的运动方程。
在实际应用中，机械多体系统动力学可以用于分析和设计各种机械系统，例如机械臂、汽车悬挂系统、飞机起落架等。
通过对这些系统的动力学分析，我们可以评估它们的运动性能和稳定性，并进行优化设计。
除了机械多体系统的动力学分析，我们还可以通过数值模拟和实验验证来验证和验证我们的理论分析。
数值模拟可以通过计算机仿真的方式来模拟物体的运动，从而得到物体的运动轨迹和受力情况。
实验验证则是通过实际测量和观察来验证我们的理论分析结果。
总的来说，机械多体系统动力学是一门研究多个物体之间相互作用和运动规律的学科。
通过对物体的运动学和动力学分析，我们可以得到物体之间的相互作用力以及它们的运动规律。
这对于机械工程、航天航空等领域的设计和研究具有重要的意义。
同时，数值模拟和实验验证也是验证和验证我们的理论分析的有效手段。
机械系统的多体动力学分析与仿真
机械系统的多体动力学分析与仿真引言：随着科技的发展和人们对机械系统精确控制的需求不断增长，机械系统的多体动力学分析与仿真在工程领域的重要性日益凸显。
本文旨在探讨机械系统的多体动力学分析与仿真技术，以及其在不同领域的应用。
一、机械系统的多体动力学分析1. 多体动力学的基本概念多体动力学研究的是相互作用的多个物体在受外界力作用下的运动规律。
它涉及到刚体运动、连杆机构、弹性体、液体、气体等多种物体动力学现象。
2. 动力学方程的建立机械系统的多体动力学分析需要建立适当的动力学方程。
一般来说，可以利用牛顿第二定律、能量守恒定律、角动量守恒定律等原理来推导动力学方程。
3. 多体动力学模型的建立为了对机械系统的动力学行为进行研究和仿真，需要建立相应的多体动力学模型。
模型的建立涉及到物体的几何形状、质量分布、运动约束等因素。
二、机械系统的多体动力学仿真方法1. 数值方法数值方法是多体动力学仿真的主要手段之一。
常见的数值方法包括欧拉法、Runge-Kutta法、有限元法等。
这些方法基于数学模型，通过离散化的方式求解微分方程。
2. 刚体动力学仿真刚体动力学仿真是多体动力学仿真的重要方向之一。
它考虑了物体的质心运动、角速度和角加速度等因素，可以用于模拟机械系统中刚体的运动特性。
3. 柔性体动力学仿真柔性体动力学仿真是另一种常用的多体动力学仿真方法。
相比于刚体仿真，柔性体仿真考虑了物体的变形和挠曲等因素，更加逼真地模拟了机械系统的实际行为。
三、机械系统多体动力学分析与仿真的应用1. 机械设计与优化通过多体动力学分析与仿真，可以评估机械系统在不同工况下的稳定性、刚度和振动特性等，提供设计师有效的指导，优化机械系统的结构和参数。
2. 机器人动力学控制机器人是机械系统的重要应用领域之一。
多体动力学分析与仿真可以帮助研究人员分析和优化机器人的动力学性能，设计出更加灵活、高效的机器人控制算法。
3. 车辆动力学研究车辆动力学是研究车辆运动规律与性能的重要领域。
多体系统动力学分析方法研究与应用
多体系统动力学分析方法研究与应用在现代工程和科学领域中，多体系统动力学的研究具有至关重要的意义。
多体系统是由多个相互连接、相互作用的物体组成的复杂系统，其在机械工程、航空航天、汽车工业、生物力学等众多领域都有广泛的应用。
为了更好地理解和设计这些系统，对多体系统动力学的分析方法进行深入研究是必不可少的。
多体系统动力学的分析方法主要可以分为两类：基于拉格朗日方程的方法和基于牛顿欧拉方程的方法。
拉格朗日方程是一种基于能量的方法，它通过定义系统的广义坐标和广义速度，构建系统的拉格朗日函数，从而导出系统的运动方程。
这种方法的优点是可以自动处理约束条件，使得方程的推导较为简洁。
然而，对于复杂的多体系统，拉格朗日函数的构建可能会变得非常困难。
牛顿欧拉方程则是基于力和力矩的方法。
它分别对每个物体应用牛顿第二定律和欧拉方程，通过分析物体之间的相互作用力和力矩来建立系统的运动方程。
这种方法直观易懂，但在处理约束和多体之间的复杂连接关系时，可能会比较繁琐。
在实际应用中，还有一些基于上述基本方法的改进和扩展技术。
例如，凯恩方法结合了拉格朗日方程和牛顿欧拉方程的优点，通过定义广义速率和偏速度，有效地处理了复杂多体系统的动力学问题。
随着计算机技术的飞速发展，数值计算方法在多体系统动力学分析中发挥了重要作用。
常见的数值计算方法包括显式积分方法和隐式积分方法。
显式积分方法计算效率高，但稳定性较差，适用于求解短时间、小变形的问题。
隐式积分方法稳定性好，但计算成本较高，适用于求解长时间、大变形的问题。
多体系统动力学分析方法在机械工程领域有着广泛的应用。
例如，在汽车设计中，可以通过建立汽车多体动力学模型，分析悬挂系统、转向系统和传动系统的运动特性，从而优化汽车的操控性能和舒适性。
在航空航天领域，多体动力学模型可以用于模拟飞行器的飞行姿态、机翼的振动和起落架的收放等，为飞行器的设计和控制提供重要依据。
在生物力学中，多体系统动力学分析方法可以用于研究人体运动，如跑步、跳跃和行走等。
多体系统的机械系统动力学建模与分析
多体系统的机械系统动力学建模与分析在现代工程领域中，对机械系统的精确分析和设计至关重要。
多体系统作为复杂机械系统的典型代表，其动力学特性的研究对于提高系统性能、优化设计以及保障运行安全具有重要意义。
多体系统是由多个相互连接的物体组成，这些物体之间存在着复杂的运动学和动力学关系。
要对这样的系统进行建模和分析，首先需要明确其构成要素和基本概念。
在多体系统中，每个物体都具有一定的质量、惯性和几何形状。
它们通过各种关节和约束相互连接，例如铰链、滑动副、球铰等。
这些连接方式决定了物体之间的相对运动自由度。
同时，外部力和力矩的作用也会影响系统的运动状态。
建模是研究多体系统动力学的基础。
常见的建模方法包括拉格朗日方程法和牛顿欧拉法。
拉格朗日方程法通过定义系统的广义坐标和动能、势能，来建立系统的运动方程。
这种方法在处理具有约束的系统时具有很大的优势。
牛顿欧拉法则从力和力矩的平衡关系出发，分别对每个物体进行分析，然后通过连接条件构建整个系统的方程。
以一个简单的机械臂为例，假设机械臂由多个连杆通过关节连接而成。
我们可以选择每个连杆的转角作为广义坐标，然后根据连杆的质量、长度和转动惯量，计算出系统的动能和势能。
再考虑关节处的驱动力矩和外部负载，利用拉格朗日方程就能得到机械臂的运动方程。
然而，实际的多体系统往往更加复杂，可能包含柔性部件、接触碰撞等现象。
对于柔性多体系统，需要考虑部件的变形和振动，通常采用有限元方法将柔性部件离散化，并与刚体部分进行耦合建模。
而在处理接触碰撞问题时，则需要引入碰撞模型和接触力算法，以准确描述碰撞过程中的能量损失和动量交换。
在建模完成后，接下来就是对模型进行分析。
分析的主要目的是了解系统的运动特性，例如位移、速度、加速度、力和力矩等随时间的变化规律。
这有助于评估系统的性能、预测可能出现的问题，并为设计优化提供依据。
通过数值求解运动方程，可以得到系统在不同初始条件和外部激励下的响应。
常用的数值方法有龙格库塔法、Adams 法等。
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文章编号:1004-132Ⅹ(2000)06-0608-04机械工程中的多体系统动力学问题吴洪涛 教授吴洪涛 熊有伦 摘要:介绍多体系统动力学在先进制造技术中的重要地位和作用。
建议抓住机遇,迎接挑战,采取有力措施,推动我国多体系统动力学的应用与发展,使之有效地支撑我国的先进制造技术,提升我国机械和机电产品的国际竞争力。
关键词:先进制造技术;多体系统动力学;机械工程;机械工程应用中图分类号:0313.7;TH 16 文献标识码:A收稿日期:2000—03—13 先进制造技术(AM T )以数控机床、加工中心、测量机、工业机器人等机电一体化设备组成先进制造系统,以网络和数据技术为特征,以CAD /CAM /CN C 技术为基本支撑工具,其发展经历了柔性制造单元、柔性制造系统、集成控制系统、智能集成制造系统4个阶段。
发达国家,前2个阶段技术已经成熟并实现了产业化,第三阶段处在开发完善阶段,智能化集成制造技术尚在研究探索中。
有人将智能制造技术称为21世纪的先进制造技术。
但无论如何,先进制造系统中的机电一体化设备是其实施的重要基础和关键。
1 多体系统动力学在先进制造技术中的作用与地位 机械工程学科在现代科学技术,特别是微电子技术、计算机技术迅猛发展的推动下,正在发展成为一门具有时代特征的学科,是20世纪后半叶“科学技术成为第一生产力”的具体表现。
它导致了国民经济的支柱产业——机械工业正在发生而且还将继续发生极为深刻的变化,这一深刻的变化反映在,机械工程、机械工业的面貌和内容发生了根本性的变化,过去机械工程理论上主要以经典力学分析为基础,实践上主要以经验总结为基础,现在则体现为机械和电子的有机结合,其基础体现为,在深化和发展了的力学(即多体系统动力学)的基础上,与系统论、信息论、传感器理论、信号分析与处理、电子学、计算机、人工智能等多学科的交叉与融合。
同时,它本身也正在形成自己的学科体系,即基于计算机应用的设计理论、工艺理论、先进制造技术理论等。
机械产品的性质也正在发生重大的变化,机械产品与微电子学、微型计算机应用相结合,取代、延伸、加强与扩大了人脑的部分作用,机械制造技术正在彻底改造,从数控化走向柔性化、集成化、智能化,向先进制造技术发展,这已成为现代科学技术前沿的热点之一,也是国际高科技竞争的前沿。
机械工程的基础之一是一般力学,发展到今天,主要特征之一是多体系统动力学已经成为一般力学最活跃的领域,刘又午教授等认为,多体系统是对一般机械系统和机电系统的高度概括和总结。
国际上基于多体系统动力学,已发展了ADAM S 、DADS 等十多种颇有影响的商业化软件,欧美的工程师应用此类软件生产复杂机械系统的“模拟样机”,可真实地仿真运动过程,迅速地比较其多种参数的方案,直至获得优化的工作性能,从而大大地减少昂贵的物理样机制造及试验,提高产品设计质量和大幅度缩短产品研制周期,对市场作出快速响应。
如同结构分析中的“有限元”理论,多体系统就是“机构”分析中的有限元,它可以将广大研究人员和技术人员从繁重的具体计算等事务性工作中解放出来,将精力集中到更高层次的目标上去。
国内一些大学的力学系和少数机械系于十多年前开始跟踪国际前沿的研究,取得了许多重要的进展和成果,特别是在基础理论和方法上,但较之国外,我们在应用和软件的产业化方面还存在很大差距,而这恰好是我国当前所急需的。
据统计,当前国际上可生产的各类产品有140多万种,然而我们目前仅能生产40多万种,为开发新产品所需的分析软件仍需要花费大量外汇进口,其差距由此可见一斑。
因此,在当前制造业并行工程、敏捷制造、虚拟现实等先进制造技术哲理不断涌现和发展的条件下,产品设计、制造的“模拟样机”技术已经成为其中的极其关键的环节。
正是基于这样的背景和认识,有理由认为我们应该加强对多体系统理论与应用进行孜孜不倦和系统深入的研究,使之成为我国先进制造技术的重要基础,从而促进其发展,进而推动我国的经济建设与持续发展。
中国机械工程第11卷第6期2000年6月2 多体系统动力学的发展[1～5]多体系统的动力学是综合了刚体力学、分析力学、计算力学、材料力学、生物力学等学科的成就,在航天、航空、机构学、机械制造、仿生假肢等机械工程领域经过多年应用实践逐步发展起来的一门古老而又高新的技术学科。
北大西洋公约组织在1993年召开的高级技术研讨会把多体系统界定为刚性和柔性机械系统。
实际上一般机械系统都是由若干物体以不同形式组合而成的,所以多体系统是一般机械系统的高度概括。
一切复杂的刚体运动不外乎空间平动和定点转动的合成。
18世纪50年代Euler提出了3个欧拉角,并导出了著名的运动学和动力学方程,奠定了点转动的理论基础。
其后150年间人们只找到了3种特定情形下的第4个代数首次积分,即Euler(1758)、Lagrange(1788)、柯娃列夫斯卡娅(1888)的工作。
本世纪初,Husson 和Burg atti证明再无其它可积情形,不存在一般可积情形。
此后研究方向转向工程技术的应用。
20世纪50年代以来科学技术和工业生产的发展,促使人们不得不面对多刚体系统。
例如人造卫星的太阳帆板、航天飞机的机械臂、制造技术中的机器人、高速空间机构等。
这类系统是刚体组合,但古典刚体力学无法解决这类系统的分析计算问题。
首先是用什么数学工具描述多个物体之间的拓扑结构,以解决多体之间不同组合的多样性问题。
其次是采用哪种动力学方程以解算多个刚体以及多个动坐标耦合的问题。
电子计算机的快速发展为解决上述问题提供了可能,但随之而来的是采用什么样的程序和软件体系以及合理的运动学和动力学参数才能完成快速高效准确计算。
进一步,从实践得知,实际上太阳帆板、航天飞机机械臂并非刚体。
甚至某些高速精密机器人用多刚体模型描述也有较大误差。
合理的方案当然是将这些构件考虑为柔性体。
柔性体应用若干阶模态予以描述,模态的合理选择是关键。
即使做必要的近似处理,也会使系统自由度大大增加。
同时促使精确的动力学分析与近似的材料力学计算相互融合。
随之而来的动力学方程复杂化和计算程序计算量扩大等问题有待研究解决。
柔性体的大范围运动与高速小范围振动之间的刚柔耦合问题是又一个关键。
在此情况下,动坐标架的选取问题,动力学反解的多值性问题皆有待解决。
鉴于应用领域的重要性和解决问题的艰巨性,使得多柔体系统动力学成为当前最具有挑战性的前沿课题。
由此可见,多体系统动力学问题是若干机械工程领域中的重要问题,同时也是一个具有挑战性的问题,具有重大的学术价值和工程实践意义。
国外早在60年代,航天工程与机械工程领域的学者就已经各自独立地对多刚体系统动力学开展了研究,一般航天飞行器呈树状开环结构,在空间环境失重状态下运动;而机械系统通常是带闭环结构,作二维或三维运动。
后来,此两领域的学者逐渐意识到其研究对象具有共同的理论基础,可应用统一的多体系统动力学加以研究。
于是,一批力学家加入研究,例如Roberson、Wittenburg、Schielhen、Kane Huston等,促进了多体系统理论和方法的完善,同时又进一步推动了工程实际的应用,理论和实际相辅相成、相得益彰。
当前国际上已经形成了若干多体系统理论的流派,如Ro berson/Wittenburg方法、Kane/Huston方法、New ton/Euler方法、变分方法等,据此,发展了数十种分析软件,有的已经商业化。
国内对于多体系统动力学的认识开始于1977年出版的Wittenberg著作的传入,以及Kane、Roberson、Wittenberg、Schiehlen、Huston 等国际知名学者相继来访讲学,以及我国学者的出访。
激起了我国力学、机械工程、航天工程等领域的科技工作者的广泛兴趣。
十几年来,国内在理论研究和实际应用2个方面都取得了显著进步,形成了自己的特色。
我们在一些单项技术和某些工程应用已经达到国际先进和领先水平,但总体上,还比较落后,特别是在具有自主版权的软件方面,还远远落后于国际,这种被动局面通过政策支持、学术界努力、工程界协作是完全可以改变的。
同时,我们还应该清醒地认识到,在全球经济一体化、知识经济初见端倪的世纪之交,大力发展中华民族的软件产业,特别是多体系统动力学的软件产业,以期为我国的先进制造技术提供重要的技术支撑将是十分迫切的。
随着我国航空、航天、机器人技术、机械工业等行业的发展,将对复杂的大型多体系统(包括机械、电子、液体晃动、控制等)提出越来越多、也更加复杂的分析要求,因此,国内多体系统动力学面临十分艰巨的任务。
3 抓住机遇,迎接挑战,推动我国多体系统动力学的应用与发展 多体系统动力学是一门新兴交叉学科,被认为是应用力学最活跃的领域之一,它植根与一般力学(动力学、振动、控制)的坚实基础之上,从机械工程、航天工程、车辆工程、仿生机械、机器人等应用领域中汲取营养,通过计算机应用发挥其强大的功能,因此成为机械工程大学科的前沿阵地,其进一机械工程中的多体系统动力学问题——吴洪涛 熊有伦步发展对于我国的机械类学科建议,培养厚基础、宽口径、强能力的高素质人才具有极其重要的意义。
另一方面,由于多体系统动力学的实践性,使之成为正在发展中的先进制造技术中科学先进而且卓有成效的分析设计方法,成为先进制造技术的若干重要支撑点之一。
仅以多体系统理论在先进制造技术中应用为例,多体系统可以应用于各种机构、机床及机器人设计与研究,机床及机器人等先进制造技术中设备的误差研究与补偿,夹具设计、无夹具制造、形位误差评判等。
实际上,误差评定和无夹具制造的理论是一致的,即通过调整实体模型的空间位姿使实际测量数据与理论模型吻合,当然它们以多体系统运动学理论为基础。
此外多坐标数控机床的轨迹规划原理与串联机构的轨迹规划也是一致的,近年来发展迅速的并联机床(ST EWART机床)也是多体系统理论应用的一个重要领域,这是由于多体系统是对一般机械系统和机电系统的高度概括和总结这个特性所决定的。
综上所述,多体系统动力学理论与应用在我国的发展,将大大有助于新产品的技术开发,有助于提高国有企业技术水平,有助于我国机械产品走出“引进—消化—再引进”的怪圈,有助于缩小与发达国家的差距。
发展我国的多体系统动力学理论与应用,已经具有很好的基础,首先,党中央、国务院正在实施“科教兴国”的基本战略,提倡“科技创新与产业化”的指导思想,大力落实“科技是第一生产力”的正确方针,为科技创新及其产业化提供了良好的大气候。
其次,我国的科技工作者通过艰苦努力、不断登攀,已经在多体系统动力学理论与应用方面积累了良好的基础,例如黄文虎、刘延柱、洪嘉振、陆佑方、陈滨、贾书惠、谢传锋、刘又午等学者领导的一批科研小组,在多体系统理论与应用方面取得了一系列的优秀成果,仅以刘又午教授及其助手们的工作为例,十多年来,对多体系统动力学的理论进行了系统、深入、卓有成效的研究,发展和完善了由著名力学家休斯敦教授提出的多体系统动力学的休斯敦方法。