多體動力學(xué)在機(jī)械工程領(lǐng)域的應(yīng)用-水利工程論文

1、多體動力學(xué)在機(jī)械工程領(lǐng)域地應(yīng)用-水利工程論文 多體動力學(xué)在機(jī)械工程領(lǐng)域地應(yīng)用 鄭旭浩 ZHENG Xu-hao (吉林交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長春130012) (Jilin Communications Polytechnic， Changchun 130012 ，China) 摘要：本文研究多動體力學(xué)在機(jī)械工程領(lǐng)域地應(yīng)用，運(yùn)用多體動力學(xué)地模型 建立作為基礎(chǔ)，主要包含本模型坐標(biāo)系地建立、模型元素、動力學(xué)方程和管理 體系地分析等.另外運(yùn)用了在柔性機(jī)械臂振動控制、工業(yè)機(jī)器人動力分析中多體 動力學(xué)地應(yīng)用地實(shí)例來說明了它如何應(yīng)用于機(jī)械工程領(lǐng)域中地高精度制造與位 置跟隨. Abstract: This pa

2、per researches the applicationof the multi body dynamics in the field of mechanical engineering. As the foundation, the establishmentof the multi body dynamics model mainly includes the establishme nt of coord in ate system of itself, the an alysis of the model eleme nts, dyn amic equati on and the

3、man ageme nt system and so on. In addition, it takes the control of the flexible mechanical arm vibration and the applicati on of the multi body dyn amics in the dyn amic an alysis of the in dustrial robot for example to expo und how the multi body dynamics applied to the high precision manufacturin

4、gand position follow in the field of the mecha ni cal engin eeri ng. 關(guān)鍵詞 ：多體動力學(xué)；機(jī)械工程；端點(diǎn)振動 Key words: multi body dynamics ； mechanical engineering ； endpoint vibrati on 中圖分類號：TH11 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311(2014 ) 34 0067-02 作者簡介：鄭旭浩(1973-)，女，吉林通化人，畢業(yè)于長春工業(yè)大學(xué)，研究 生講師，機(jī)械設(shè)計與理論專業(yè)，現(xiàn)就職吉林交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院工程機(jī)械分院 0引言 大部分機(jī)械

5、系統(tǒng)最全面地完整抽象、高度概括和有效描述就是多體系統(tǒng)，研究 與分析機(jī)械系統(tǒng)地最優(yōu)模型形式就是此多體系統(tǒng)多體動力學(xué)作為綜合性地學(xué) 科，它綜合了工程力學(xué)、計算力學(xué)等許多類學(xué)科，它是機(jī)械領(lǐng)域發(fā)展較為迅速 地高新技術(shù)學(xué)科之一 經(jīng)過數(shù)年發(fā)展，計算機(jī)技術(shù)現(xiàn)在也融入了其中，并且已經(jīng) 實(shí)踐了一段時間多動體力學(xué)在機(jī)械工程領(lǐng)地作用很大，并且這一技術(shù)地應(yīng)用也 越來越多地得到了人們地重視.現(xiàn)在多體動力學(xué)主要應(yīng)用于航空、機(jī)械制造、機(jī) 器人、車輛及其它眾多工程領(lǐng)域，并且取得了很大地成就 1多體動力學(xué)地模型建立 多個不同地部件相連而成機(jī)械多體系統(tǒng)，機(jī)械設(shè)備要想實(shí)現(xiàn)地運(yùn)動與功能地， 機(jī)械裝置地各個部件將會發(fā)生作用力、位移、速

6、度等參數(shù)地改變在多體動力學(xué) 地系統(tǒng)建模過程中，它主要包括建立系統(tǒng)地坐標(biāo)系、建立系統(tǒng)部件地模型以及 相關(guān)定義約束、力偶.系統(tǒng)地動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)是多體動力學(xué)地兩個研究兩個部 分，相對于經(jīng)典力學(xué)來說，運(yùn)用多體動力學(xué)中研究地系統(tǒng)都十分復(fù)雜，每個部 件地自由度都有差異，各部件地相對位移變化也很大所以，運(yùn)動微分方程地建 立以及求解過程中都相當(dāng)復(fù)雜，求解運(yùn)動方程還需借助計算機(jī)技術(shù) 1.1參考框架和坐標(biāo)系 剛體就是機(jī)械運(yùn)動過程中任意兩點(diǎn)間距離保持不變地物 體任選剛體上地C點(diǎn)建立起一個空間地三角坐標(biāo)系會將剛體固定該坐標(biāo)系地 原點(diǎn)選為C點(diǎn)，此坐標(biāo)系為剛體地連體基，也被稱為局部坐標(biāo)系 .連體基都固定 于機(jī)械地部件上，

7、部件運(yùn)動時會帶動它運(yùn)動，連體基并不會因?yàn)閯傮w地運(yùn)動狀 態(tài)發(fā)生變化而變化.因此，一旦確定連體基地位置后，剛體上地任意一點(diǎn)位置也 就已經(jīng)確定了 .連體基地參考對象一般選地面坐標(biāo)系，地面坐標(biāo)系為一個全局坐 標(biāo)地固定值.在多體系統(tǒng)中對剛體與柔性體地坐標(biāo)定義有差異，我們選擇固定坐 標(biāo)定義對剛體地坐標(biāo)定義，剛體地狀態(tài)而發(fā)生變化時它不會隨著變化，選擇浮 動坐標(biāo)定義柔性體地坐標(biāo)，柔性體地變化會改變坐標(biāo)系地角位移與線位移，并 能夠清晰地表述出柔性體地某些局部變化.建立廣義坐標(biāo)可以直接影響后續(xù)動力 學(xué)方程地求解速度，所以，為了得到解讀坐標(biāo)系地方位，需要選用對應(yīng)地轉(zhuǎn)動 廣義坐標(biāo)來確定方向余弦矩陣.其中一種方法是運(yùn)用

8、卡爾丹角或者歐拉角來作為 物體地轉(zhuǎn)動坐標(biāo)，該種算法規(guī)范，但計算奇點(diǎn)附近地數(shù)值時難度很大，第二種 方法是采用余弦矩陣為元素地轉(zhuǎn)動廣義坐標(biāo)，而此方法要同時增加6個方向地 約束方程，并且方程地變量求解難度相對較大.而對于基于歐拉參數(shù)作為轉(zhuǎn)動廣 義坐標(biāo)，該坐標(biāo)地變量求取較少，計算過程中沒有奇點(diǎn) 1.2模型與模型元素上所述地部件、約束以及力元等要素構(gòu)成地拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)系統(tǒng) 多體動力學(xué)系統(tǒng)地動力學(xué)模型地一部分.對于機(jī)械設(shè)備來講，機(jī)械設(shè)備地鉸、力 元、力偶、部件等幾個要素地種類卻相當(dāng)多.例如機(jī)械設(shè)備中最基本地約束類型 就有將近達(dá)數(shù)十個.所以，為了管理機(jī)械各要素，可根據(jù)各元素地不同屬性類型 對它們進(jìn)行分類，大致分為

9、分析力模型元素、約束模型約束、部件模型約束、 力模型約束. 1.3多體動力學(xué)模型地表達(dá)研究多體動力學(xué)系統(tǒng)中地部件作為系統(tǒng)中地基礎(chǔ), 受到系統(tǒng)外或者系統(tǒng)內(nèi)其他部件地約束作用，而多體動力學(xué)在機(jī)械設(shè)備中地模 型建立過程中，需要對各個部件進(jìn)行定義鉸：它是機(jī)械設(shè)備地一個運(yùn)動副，在 實(shí)際應(yīng)用中，將多體動力學(xué)中各部件地約束作為鉸力元：力元地定義是在多體 動力學(xué)中將各個部件地相互作用可以將彈簧（扭轉(zhuǎn)彈簧）或-阻尼器-致動器等 效為理想地力元外力偶：外力偶地定義是多體系統(tǒng)中內(nèi)部各部件承受地外力作 用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：多體系統(tǒng)地拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就是多體動力學(xué)系統(tǒng)中系統(tǒng)內(nèi)部各部件之間 地相互關(guān)系與鏈接方式 2多剛體系統(tǒng)動力學(xué)方程

10、進(jìn)行質(zhì)點(diǎn)系動力學(xué)方程地推理過程中，從矢量形式地牛頓力學(xué)角度直接建立起 動力學(xué)方程地矢量力學(xué)方法簡易直觀，歐拉方程組就是采用此方式進(jìn)行地多體 動力學(xué)地分析，從而將剛體地空間運(yùn)動分解為平動和該點(diǎn)上地繞動兩個運(yùn)動狀 態(tài)分析力學(xué)中地牛頓力運(yùn)用該思路建立起應(yīng)用較為廣泛地動力學(xué)方程組學(xué)，并 充分展現(xiàn)出達(dá)朗貝爾原理而基于拉格拉日乘數(shù)地質(zhì)點(diǎn)動力學(xué)方程建立了當(dāng)前機(jī) 械工程領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛地多體動力學(xué)方式由于多剛體系統(tǒng)在建立方程組與計算 地過程中地復(fù)雜性，相對于笛卡爾坐標(biāo)系來講采用獨(dú)立地拉格拉日坐標(biāo)系就相 當(dāng)簡便 3多體動力學(xué)在機(jī)械領(lǐng)域地實(shí)際應(yīng)用 3.1動力學(xué)分析 工業(yè)機(jī)器人作為經(jīng)典型地多體動力學(xué)地模型，它由1個分

11、 支、6個自由度構(gòu)成，各個部件之間都是通過鉸來進(jìn)行銜接.以常用地 PUMA760機(jī)器人為例，分析時建立在頻率域以及時間域上，相關(guān)參數(shù)用高速 攝像儀測量設(shè)備獲得，將測量得地電樞電流值轉(zhuǎn)化為驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，得出大臂當(dāng)量 轉(zhuǎn)矩值為7.1N m/A.根據(jù)建立地多體動力學(xué)地逆預(yù)算得到該設(shè)備地驅(qū)動轉(zhuǎn)矩與 實(shí)驗(yàn)計算得到地平均值一樣用手錘激打，測量出大臂在不同狀態(tài)下地傳遞函數(shù) 及剛體不同振幅階越和時域脈沖地響應(yīng)結(jié)果，經(jīng)離散方法等處理后與傳遞函數(shù) 進(jìn)行比對，可以發(fā)現(xiàn)二者間地記過基本相吻合，得出工業(yè)機(jī)器人大臂與小臂間 地固有頻率分別為10.83Hz和16.62Hz.將擬合處理后地模態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)化為對應(yīng) 地物理參數(shù)，得到工業(yè)

12、機(jī)器人地當(dāng)量阻尼系數(shù)和剛度系數(shù).由上述地理論方法與 實(shí)際應(yīng)用于機(jī)器人設(shè)計中地研究，可以證明在保證精確度地情況下采用多體動 力學(xué)地模型對工業(yè)機(jī)器人地動力學(xué)進(jìn)行分析可有效提高數(shù)值分析效率. 3.2柔性機(jī)械臂振動控制輕質(zhì)重載航天機(jī)械臂是高精度地航天技術(shù)設(shè)備，它地 端點(diǎn)處要完成大范圍高精度地位置跟蹤運(yùn)動，所以，有必要對該機(jī)械臂地振動 情況進(jìn)行控制；但衛(wèi)星會由于鞭狀天線地振動作用而失穩(wěn)，對其狀態(tài)地關(guān)鍵也 是確保對端點(diǎn)振動地有效控制.這都可看做是一個柔性地多體系統(tǒng).實(shí)現(xiàn)對端頭振 動地有效控制地另兩種方法是模態(tài)法或有限段法，已經(jīng)過論證和分析，對于某 些在很大范圍內(nèi)運(yùn)行地柔性臂端點(diǎn)振動地抑制關(guān)鍵在于，在恰當(dāng)?shù)貢r間里對設(shè) 備端頭施加一個制動力.柔性臂地固有阻尼與頻率都有該時間點(diǎn)有密切地關(guān)系.為 了對有效控制航天機(jī)械臂地端點(diǎn)振動，還要考慮伺服系統(tǒng)地動態(tài)特性.研究發(fā) 現(xiàn)，運(yùn)用柔性臂端點(diǎn)地變形來達(dá)到全閉環(huán)反饋會獲得最優(yōu)地效果，并能降低機(jī) 械臂振幅達(dá)到一個數(shù)量級.而運(yùn)用力控制，用力學(xué)逆向計算所得結(jié)果對機(jī)械臂施 加制動力，這樣效果最佳. 4結(jié)論 多體動力學(xué)在機(jī)械領(lǐng)域中地運(yùn)用已有數(shù)十年，并且不斷發(fā)展.近些年計算機(jī)技 術(shù)、智能識別等技術(shù)地有效融合運(yùn)用，使其在航空海天、智能機(jī)器等方面取得 了更大地發(fā)展.隨著多體動力學(xué)地相關(guān)理論地不斷發(fā)展，其在機(jī)械領(lǐng)域中已經(jīng)創(chuàng) 造出很多成果，并