????????隨著控制系統(tǒng)復(fù)雜性的增加和機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，各種復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)出現(xiàn)了，如車輛、航天器、機(jī)械臂、機(jī)器人和人類科學(xué)。由于系統(tǒng)自由度的不斷提高，越來越多的復(fù)雜系統(tǒng)無法用單一模型來建模。因此，開展多體系統(tǒng)建模與仿真研究具有重要意義。另一方面，由于現(xiàn)代精密控制系統(tǒng)的復(fù)雜性越來越高，系統(tǒng)內(nèi)部的組件越多，受控系統(tǒng)的故障概率就越大。在大型復(fù)雜系統(tǒng)中，某個(gè)子系統(tǒng)一旦發(fā)生事故，可能會(huì)造成重大的財(cái)產(chǎn)損失。

????????1977年，多體動(dòng)力學(xué)研討會(huì)首次在慕尼黑舉行，德國(guó)從那時(shí)起，關(guān)于多體動(dòng)力學(xué)的國(guó)際會(huì)議層出不窮。近年來，研究人員對(duì)多體系統(tǒng)的建模與仿真進(jìn)行了深入的研究。

????????多體動(dòng)力學(xué)仿真（MBDS）軟件將實(shí)際系統(tǒng)分解為剛體、關(guān)節(jié)、約束、坐標(biāo)系、驅(qū)動(dòng)器、傳感器、輸入和其他組件。一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)可以用圖形組件建模。此外，整個(gè)仿真過程包括兩個(gè)階段：建模和求解。建模包括兩個(gè)過程：

????????????????首先，物理建模，從幾何模型形成物理模型。

????????????????第二，數(shù)學(xué)建模，從物理模型形成數(shù)學(xué)模型。

????????解算器是一組求解運(yùn)動(dòng)方程的計(jì)算算法。解算器的選擇取決于問題類型、運(yùn)動(dòng)學(xué)/動(dòng)力學(xué)、靜態(tài)平衡、特征值分析等。應(yīng)選擇相應(yīng)的解算器進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和求解。它適用于研究相互連接的剛體和/或柔性體在發(fā)生大平移或旋轉(zhuǎn)位移時(shí)的動(dòng)力學(xué)行為。這些物體的運(yùn)動(dòng)是根據(jù)施加的載荷和定義的邊界條件計(jì)算的。

????????多體動(dòng)力學(xué)仿真（MBDS）不僅可以用于預(yù)測(cè)可以評(píng)估和優(yōu)化機(jī)械系統(tǒng)性能、運(yùn)動(dòng)軌跡、碰撞檢測(cè)、峰值負(fù)載等，還可以用于安全性、舒適性等多個(gè)方面。用戶不僅可以使用通用模塊模擬簡(jiǎn)單的機(jī)械系統(tǒng)，還可以使用特定模塊快速有效地建模和模擬相關(guān)工業(yè)應(yīng)用中的問題。

????????MBDS在產(chǎn)品開發(fā)中的潛力主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面原因：

????????1.減少開發(fā)周期和生命周期成本。

????????制造商通常很難理解真實(shí)的系統(tǒng)性能，直到設(shè)計(jì)過程的最后階段。機(jī)械、電氣和其他子系統(tǒng)根據(jù)其在系統(tǒng)工程過程中的具體要求進(jìn)行驗(yàn)證，但完整的系統(tǒng)測(cè)試和驗(yàn)證來得晚，導(dǎo)致返工和設(shè)計(jì)變更，其風(fēng)險(xiǎn)和成本比早期的更高。

圖一 防側(cè)傾桿在側(cè)傾運(yùn)動(dòng)下的仿真

????????MBS通過實(shí)現(xiàn)早期系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)驗(yàn)證，提高了工程效率，降低了產(chǎn)品開發(fā)成本。工程師可以評(píng)估和管理運(yùn)動(dòng)、結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)和控制等學(xué)科之間的復(fù)雜交互，以更好地優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)性能、安全性和舒適性。除了廣泛的分析能力，MBS還針對(duì)大規(guī)模問題進(jìn)行了優(yōu)化，充分利用了高性能計(jì)算環(huán)境。

????????MBS的計(jì)算時(shí)間相對(duì)較短。這使其成為一種非常有效的仿真工具，是具有多個(gè)自由度的復(fù)雜組件的參數(shù)研究和優(yōu)化的最佳選擇。

????????由于計(jì)算時(shí)間較短，MBS能夠及早了解設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)整體性能的影響。這允許在開發(fā)過程的早期階段做出有根據(jù)的設(shè)計(jì)選擇，通過縮短交付周期和顯著減少擴(kuò)展硬件測(cè)試的數(shù)量來節(jié)省成本。

?圖二 輪胎與地面接觸時(shí)的作用力

????????舉個(gè)例子，有了Adams Car，工程師可以快速構(gòu)建和測(cè)試整車和車輛子系統(tǒng)的功能虛擬原型。在Adams車輛垂直環(huán)境中工作，汽車工程團(tuán)隊(duì)可以在各種道路條件下執(zhí)行其車輛設(shè)計(jì)，執(zhí)行通常在試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室或試驗(yàn)跑道上進(jìn)行的相同試驗(yàn)，但時(shí)間很短。可以滿足以下要求：

? 懸架、轉(zhuǎn)向和整車操縱分析

? 易于將控制系統(tǒng)集成到車輛模型中

? 在線框或三維實(shí)體中創(chuàng)建或?qū)肓悴考缀螆D形

? 用于定義零件連接性的關(guān)節(jié)和約束的廣泛庫(kù)

? 通過零件柔性、自動(dòng)控制系統(tǒng)、接頭摩擦和滑動(dòng)、液壓和氣動(dòng)執(zhí)行器以及參數(shù)化設(shè)計(jì)關(guān)系對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化

? 復(fù)雜大運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)的綜合線性和非線性結(jié)果

? 全面且易于使用的接觸功能支持模態(tài)柔性體和剛體幾何體之間的任何組合的二維和三維接觸

????????2.易于使用。

????????與過去十年相比，使用MBS程序的復(fù)雜性降低了。隨著MBS的發(fā)展，它現(xiàn)在不再是為仿真專家或動(dòng)態(tài)分析專家設(shè)計(jì)的，而是為普通設(shè)計(jì)工程師設(shè)計(jì)的。

????????在MATLAB?Simscape多體程序中，復(fù)雜的多體系統(tǒng)可以由表示實(shí)體、關(guān)節(jié)、約束、力元素和傳感器的塊構(gòu)建。它為整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)建立并求解運(yùn)動(dòng)方程，自動(dòng)生成的三維動(dòng)畫可用于可視化系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)。

圖三 在Simscape Multibody中，前懸架由塊建模

????????Simscape Multibody包含一個(gè)模塊庫(kù)、模擬和控制接口，用于將Simscape計(jì)劃與Simulink環(huán)境互連，還可以使用Simscape系列產(chǎn)品中的組件將液壓、電氣、氣動(dòng)和其他物理系統(tǒng)集成到模型中。RecurDyn有一個(gè)功能強(qiáng)大、設(shè)計(jì)直觀的GUI。它包含一個(gè)用于模型開發(fā)、模擬和結(jié)果分析的完全集成的環(huán)境。模型創(chuàng)建和參數(shù)定義的預(yù)處理以及分析結(jié)果的后處理直接集成到GUI中。GUI中還存在大量定制選項(xiàng)，通過自動(dòng)化常見任務(wù)來提高生產(chǎn)率。

????????3.更準(zhǔn)確，MBDS軟件可以模擬“真實(shí)世界的物理”。

????????為了模擬多剛體的動(dòng)力學(xué)行為，需要求解描述系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的一系列運(yùn)動(dòng)方程。這些方程稱為微分代數(shù)方程（DAE），是描述運(yùn)動(dòng)的微分方程和封裝關(guān)節(jié)約束的代數(shù)方程的組合。在線性動(dòng)力學(xué)仿真中，由于多核處理器的存在，求解器具有較高的效率和精度。

????????利用多體動(dòng)力學(xué)解決方案技術(shù)，如ADAMS等MBDS在FEA解決方案所需時(shí)間的一小部分內(nèi)運(yùn)行非線性動(dòng)力學(xué)。通過模擬計(jì)算的載荷和力可以更好地評(píng)估它們?cè)谡麄€(gè)運(yùn)動(dòng)范圍和操作環(huán)境中的變化，從而提高有限元分析的準(zhǔn)確性。

????????4.可重復(fù)性，在現(xiàn)實(shí)生活中，使用MBDS軟件進(jìn)行故障測(cè)試需要花費(fèi)大量時(shí)間和金錢，因此可以在故障條件下重復(fù)模擬和驗(yàn)證。我們有一些好處：

????????創(chuàng)造穩(wěn)健的設(shè)計(jì)。指定部件的故障標(biāo)準(zhǔn)，包括基于時(shí)間、負(fù)載或溫度的條件。對(duì)退化的部件行為進(jìn)行建模，例如齒輪齒磨損或軸承摩擦增加。自動(dòng)配置模型，以便在故障條件下有效驗(yàn)證設(shè)計(jì)。

?圖四 當(dāng)力超過接頭的上限時(shí)，兩個(gè)零件之間的連接斷裂

????????執(zhí)行預(yù)測(cè)性維護(hù)。生成數(shù)據(jù)以培訓(xùn)預(yù)測(cè)性維護(hù)算法。在常見和罕見場(chǎng)景下使用虛擬測(cè)試驗(yàn)證算法。通過確保以正確的時(shí)間間隔進(jìn)行維護(hù)，減少停機(jī)時(shí)間和設(shè)備成本。

????????盡量減少損失。計(jì)算機(jī)械部件消耗的功率。驗(yàn)證部件是否在其安全操作區(qū)域內(nèi)運(yùn)行。模擬特定事件和測(cè)試場(chǎng)景集，然后在MATLAB中對(duì)結(jié)果進(jìn)行后期處理。

????????多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件使設(shè)計(jì)階段的更改比物理原型測(cè)試所需的速度更快，成本更低。提供更安全的環(huán)境，無需擔(dān)心因儀器故障而丟失數(shù)據(jù)。在沒有物理測(cè)試的情況下，可以在所有情況下進(jìn)行模擬或分析，而不會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的Simscape Multibody 多体动力学仿真教程（一）的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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