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摘 要：近年来，随着机械制造、机构学、航空航天等机械工程领域的发展，许多高新技术和新兴学科被不断开发与应用，多体动力学也获得了良好的发展，对解决复杂机械系统运动学与动力学问题具有重要的意义。多体动力学是一种先进的制作技术，将其应用于机械工程领域中的位置跟随与高精度制造，可以为先进机械工程制造提供有力支持，促进机械工程领域的可持续发展。本文就对多体动力学在机械工程领域的应用进行分析和探讨。
关键词：多体动力学；机械工程领域；应用
多体系统作为机械系统中的重要组成部分，其具有描述的有效性、高度的概括性、完整抽象与全面等特点，能够通过某种特定连接方式来联系多个物体。而多体动力学属于一门自然科学，涉及计算力学和工程力学等多种学科知识，是机械领域中的新兴科学，被广泛应用于机械制作与航空航天等机械工程中[1]。可以说，多体动力学在机械工程领域的应用价值十分之高，这一技术的运用将会越来越受到人们的关注，具有广阔的发展空间。
一、多体动力学概述
多体系统作为一种机械系统，是由不同部件连接而成，能够实现机械与运动功能，并且各机械部件会出现速率、位移、用力等多种参数的变化。与经典力学相比而言，多体动力学涉及的系统相对复杂，各部件之间的相对位移参数设定与自由度存在较大差异，在运动微分方程求解方面相对困难，需要借助计算机工程加以计算。一方面是模型与模型元素。多体系统是由力元、约束和部件等要素构成，从机械设备结构层面来说，设备中的力偶、力元、铰等要素相对多样，这就需要以要素属性为依据对其进行有效管理与分类，如划分为力模型约束、部件模型约束、约束模型约束、力模型元素。值得注意的是，力偶是指系统内部各个部件所承受的外力作用；力元则是指系统中各部件的相互作用；铰指的是系统各部件的约束作用，是机械设备的运动副。
另一方面是坐标系和参考框架。机械运动过程中，任意两点之间距离不变的物体就是刚体，可以任意选择刚体上的某点来构建三角坐标系，以此达到固定刚体的目的。该坐标系为刚体的局部坐标系，原点可设置为O点，在机械部件上固定局部坐标系，这样部件运动也会使其发生运动。通常柔性体与刚体的坐标定义在多体系统中有所不同，其中柔性体坐标选用的是浮动坐标，其变化会改变坐标系的线位移和角位移，将某些局部变化进行清晰表述；而刚体坐标多选用固定坐标，其不会随刚体状态变化而变化。广义坐标的建立会对多体动力学方程计算速度产生直接影响，需要利用对应的转动关系坐标，这样才能对方向余弦矩阵加以确定，获得解析坐标系的方位。当然在实际中可以采用两种方法加以计算：①采用转动广义坐标，以余弦矩阵为元素，同时增加6个方向约束方程，但是这样会增加方程变量求解难度；②以欧拉角或卡尔丹角为依据，将其作为物理转动坐标，这样能够减少变量的求取，保证算法的规范性，但会增加奇点附近数值的计算难度。
二、多体动力学在机械工程领域的应用
多体动力学在机械工程领域的应用，具体可从以下几方面进行分析：
一是柔性机械臂振动控制。作为精度很高的航天设备，轻质量航天机械臂需要完成高精度与大范围的位置跟踪运动，这就需要机械臂有效控制震动；但是受鞭状天线的影响，卫星会产生震动，这使得状态的稳定也成为其构建的重要环节。就机械臂构建方式来看，其属于一种柔性多体系统，可以借助有限段法或莫泰法来控制端头振动，或者是将一个制动力施加在设备端头，以此解决柔性臂端点振动问题[3]。值得注意的是，柔性臂的固有阻尼和频率会在一定程度上影响施加制动力時机，因此需要综合分析系统动态特性，避免端点振动问题的出现，实现振幅作用的最小化，达到全闭环反馈的最佳效果。
二是机械手臂。对于工业机器人而言，其是典型的多体动力学模型，由6个自由度与1个分支构成，并且各个部件之间的连接是采用固定体的方式。PUMA760机器人在现代工业中具有广泛的应用范围，其能够利用时间域和频率域，借助高速摄像仪测量得出电枢电流值，并将其转化为驱动转矩，从而获得具体的数值来设置参数。当然在实际应用过程中，需要以多体动力学的逆预算为依据，准确获得设备驱动的转矩平均值；同时在模拟处理的基础上，将静态参数值转为物理参数值，以此获取机器人的刚度系数与当量阻尼系数。
三是机械数控床。衡量数控机床技术的一个重要指标就是工作精度，而误差补偿和误差避免是提高精度的基本方法，其中前者可以有效修正误差，如补偿得当时，工作精度可能会超过母机；后者则可以通过制造与设计来达到误差减小的目的，但是设备造价会有所提高。总之，在机械数控床领域应用多体动力学，可以有效减小误差，具有十分明显的补偿效果。
四是车辆工程领域。多体动力学在汽车领域的应用，可以有效完成零部件与整车的结构设计以及性能分析，标志着汽车多体系统的高层次发展。例如：采用模态综合技术，选择自由度少的模态坐标，以此描述车身变形；利用物理坐标表现悬架子结构，在约束条件下来组织整个系统，然后进行联合求解；离散化或柔性化处理车身时，需要对转动惯量因素加以考虑，选择集中质量法，将有限元分析方法与计算结构进行比较。
三、结束语
多体动力学作为发展迅速的高新技术学科之一，其在机械工程领域的应用时间较长，并且在现代科学技术快速发展的背景下，呈现着多样化的发展趋势，不仅用于智能识别和现代计算机技术等领域，也应用于智能机械和航空航天等行业。随着多体动力学的丰富与扩展，在机械工程领域的应用会日趋重要，成为机械工程创新的重要方向，其相关理论与应用研究在未来机械工程中会更加完善，有利于促进机械工程领域的可持续发展。
参考文献：
[1]郑旭浩.多体动力学在机械工程领域的应用[J].价值工程，2014，34：67-68.
[2]郭娟.多体动力学在机械工程领域的应用[J].山东工业技术，2016，03：88.
[3]吴春峰.机械工程中的多体系统动力学问题研究[J].中华民居（下旬刊），2014，02：171+174.
[4]王彦伟，李亚飞，黄正东.机电产品中机械零件、机械系统与控制器参数协同优化方法与应用研究[J].中国机械工程，2013，21：2955-2959.
关键词：多体动力学；机械工程领域；应用
多体系统作为机械系统中的重要组成部分，其具有描述的有效性、高度的概括性、完整抽象与全面等特点，能够通过某种特定连接方式来联系多个物体。而多体动力学属于一门自然科学，涉及计算力学和工程力学等多种学科知识，是机械领域中的新兴科学，被广泛应用于机械制作与航空航天等机械工程中[1]。可以说，多体动力学在机械工程领域的应用价值十分之高，这一技术的运用将会越来越受到人们的关注，具有广阔的发展空间。
一、多体动力学概述
多体系统作为一种机械系统，是由不同部件连接而成，能够实现机械与运动功能，并且各机械部件会出现速率、位移、用力等多种参数的变化。与经典力学相比而言，多体动力学涉及的系统相对复杂，各部件之间的相对位移参数设定与自由度存在较大差异，在运动微分方程求解方面相对困难，需要借助计算机工程加以计算。一方面是模型与模型元素。多体系统是由力元、约束和部件等要素构成，从机械设备结构层面来说，设备中的力偶、力元、铰等要素相对多样，这就需要以要素属性为依据对其进行有效管理与分类，如划分为力模型约束、部件模型约束、约束模型约束、力模型元素。值得注意的是，力偶是指系统内部各个部件所承受的外力作用；力元则是指系统中各部件的相互作用；铰指的是系统各部件的约束作用，是机械设备的运动副。
另一方面是坐标系和参考框架。机械运动过程中，任意两点之间距离不变的物体就是刚体，可以任意选择刚体上的某点来构建三角坐标系，以此达到固定刚体的目的。该坐标系为刚体的局部坐标系，原点可设置为O点，在机械部件上固定局部坐标系，这样部件运动也会使其发生运动。通常柔性体与刚体的坐标定义在多体系统中有所不同，其中柔性体坐标选用的是浮动坐标，其变化会改变坐标系的线位移和角位移，将某些局部变化进行清晰表述；而刚体坐标多选用固定坐标，其不会随刚体状态变化而变化。广义坐标的建立会对多体动力学方程计算速度产生直接影响，需要利用对应的转动关系坐标，这样才能对方向余弦矩阵加以确定，获得解析坐标系的方位。当然在实际中可以采用两种方法加以计算：①采用转动广义坐标，以余弦矩阵为元素，同时增加6个方向约束方程，但是这样会增加方程变量求解难度；②以欧拉角或卡尔丹角为依据，将其作为物理转动坐标，这样能够减少变量的求取，保证算法的规范性，但会增加奇点附近数值的计算难度。
二、多体动力学在机械工程领域的应用
多体动力学在机械工程领域的应用，具体可从以下几方面进行分析：
一是柔性机械臂振动控制。作为精度很高的航天设备，轻质量航天机械臂需要完成高精度与大范围的位置跟踪运动，这就需要机械臂有效控制震动；但是受鞭状天线的影响，卫星会产生震动，这使得状态的稳定也成为其构建的重要环节。就机械臂构建方式来看，其属于一种柔性多体系统，可以借助有限段法或莫泰法来控制端头振动，或者是将一个制动力施加在设备端头，以此解决柔性臂端点振动问题[3]。值得注意的是，柔性臂的固有阻尼和频率会在一定程度上影响施加制动力時机，因此需要综合分析系统动态特性，避免端点振动问题的出现，实现振幅作用的最小化，达到全闭环反馈的最佳效果。
二是机械手臂。对于工业机器人而言，其是典型的多体动力学模型，由6个自由度与1个分支构成，并且各个部件之间的连接是采用固定体的方式。PUMA760机器人在现代工业中具有广泛的应用范围，其能够利用时间域和频率域，借助高速摄像仪测量得出电枢电流值，并将其转化为驱动转矩，从而获得具体的数值来设置参数。当然在实际应用过程中，需要以多体动力学的逆预算为依据，准确获得设备驱动的转矩平均值；同时在模拟处理的基础上，将静态参数值转为物理参数值，以此获取机器人的刚度系数与当量阻尼系数。
三是机械数控床。衡量数控机床技术的一个重要指标就是工作精度，而误差补偿和误差避免是提高精度的基本方法，其中前者可以有效修正误差，如补偿得当时，工作精度可能会超过母机；后者则可以通过制造与设计来达到误差减小的目的，但是设备造价会有所提高。总之，在机械数控床领域应用多体动力学，可以有效减小误差，具有十分明显的补偿效果。
四是车辆工程领域。多体动力学在汽车领域的应用，可以有效完成零部件与整车的结构设计以及性能分析，标志着汽车多体系统的高层次发展。例如：采用模态综合技术，选择自由度少的模态坐标，以此描述车身变形；利用物理坐标表现悬架子结构，在约束条件下来组织整个系统，然后进行联合求解；离散化或柔性化处理车身时，需要对转动惯量因素加以考虑，选择集中质量法，将有限元分析方法与计算结构进行比较。
三、结束语
多体动力学作为发展迅速的高新技术学科之一，其在机械工程领域的应用时间较长，并且在现代科学技术快速发展的背景下，呈现着多样化的发展趋势，不仅用于智能识别和现代计算机技术等领域，也应用于智能机械和航空航天等行业。随着多体动力学的丰富与扩展，在机械工程领域的应用会日趋重要，成为机械工程创新的重要方向，其相关理论与应用研究在未来机械工程中会更加完善，有利于促进机械工程领域的可持续发展。
参考文献：
[1]郑旭浩.多体动力学在机械工程领域的应用[J].价值工程，2014，34：67-68.
[2]郭娟.多体动力学在机械工程领域的应用[J].山东工业技术，2016，03：88.
[3]吴春峰.机械工程中的多体系统动力学问题研究[J].中华民居（下旬刊），2014，02：171+174.
[4]王彦伟，李亚飞，黄正东.机电产品中机械零件、机械系统与控制器参数协同优化方法与应用研究[J].中国机械工程，2013，21：2955-2959.