随着控制系统复杂性的增加和机器人技术的快速发展，各种复杂的机械系统出现了，如车辆、航天器、机械臂、机器人和人类科学。由于系统自由度的不断提高，越来越多的复杂系统无法用单一模型来建模。因此，开展多体系统建模与仿真研究具有重要意义。另一方面，由于现代精密控制系统的复杂性越来越高，系统内部的组件越多，受控系统的故障概率就越大。在大型复杂系统中，某个子系统一旦发生事故，可能会造成重大的财产损失。
1977年，多体动力学研讨会首次在慕尼黑举行，德国从那时起，关于多体动力学的国际会议层出不穷。近年来，研究人员对多体系统的建模与仿真进行了深入的研究。
多体动力学仿真（MBDS）软件将实际系统分解为刚体、关节、约束、坐标系、驱动器、传感器、输入和其他组件。一个复杂的系统可以用图形组件建模。此外，整个仿真过程包括两个阶段：建模和求解。建模包括两个过程：
首先，物理建模，从几何模型形成物理模型。
第二，数学建模，从物理模型形成数学模型。
解算器是一组求解运动方程的计算算法。解算器的选择取决于问题类型、运动学/动力学、静态平衡、特征值分析等。应选择相应的解算器进行数值计算和求解。它适用于研究相互连接的刚体和/或柔性体在发生大平移或旋转位移时的动力学行为。这些物体的运动是根据施加的载荷和定义的边界条件计算的。
多体动力学仿真（MBDS）不仅可以用于预测可以评估和优化机械系统性能、运动轨迹、碰撞检测、峰值负载等，还可以用于安全性、舒适性等多个方面。用户不仅可以使用通用模块模拟简单的机械系统，还可以使用特定模块快速有效地建模和模拟相关工业应用中的问题。
MBDS在产品开发中的潜力主要体现在以下几个方面原因：
1.减少开发周期和生命周期成本。
制造商通常很难理解真实的系统性能，直到设计过程的最后阶段。机械、电气和其他子系统根据其在系统工程过程中的具体要求进行验证，但完整的系统测试和验证来得晚，导致返工和设计变更，其风险和成本比早期的更高。
图一 防侧倾杆在侧倾运动下的仿真
MBS通过实现早期系统级设计验证，提高了工程效率，降低了产品开发成本。工程师可以评估和管理运动、结构、驱动和控制等学科之间的复杂交互，以更好地优化产品设计，实现性能、安全性和舒适性。除了广泛的分析能力，MBS还针对大规模问题进行了优化，充分利用了高性能计算环境。
MBS的计算时间相对较短。这使其成为一种非常有效的仿真工具，是具有多个自由度的复杂组件的参数研究和优化的最佳选择。
由于计算时间较短，MBS能够及早了解设计参数对系统整体性能的影响。这允许在开发过程的早期阶段做出有根据的设计选择，通过缩短交付周期和显著减少扩展硬件测试的数量来节省成本。
图二 轮胎与地面接触时的作用力
举个例子，有了Adams Car，工程师可以快速构建和测试整车和车辆子系统的功能虚拟原型。在Adams车辆垂直环境中工作，汽车工程团队可以在各种道路条件下执行其车辆设计，执行通常在试验实验室或试验跑道上进行的相同试验，但时间很短。可以满足以下要求：
悬架、转向和整车操纵分析
易于将控制系统集成到车辆模型中
在线框或三维实体中创建或导入零部件几何图形
用于定义零件连接性的关节和约束的广泛库
通过零件柔性、自动控制系统、接头摩擦和滑动、液压和气动执行器以及参数化设计关系对模型进行优化
复杂大运动设计的综合线性和非线性结果
全面且易于使用的接触功能支持模态柔性体和刚体几何体之间的任何组合的二维和三维接触
2.易于使用。
与过去十年相比，使用MBS程序的复杂性降低了。随着MBS的发展，它现在不再是为仿真专家或动态分析专家设计的，而是为普通设计工程师设计的。
在MATLABimscape多体程序中，复杂的多体系统可以由表示实体、关节、约束、力元素和传感器的块构建。它为整个机械系统建立并求解运动方程，自动生成的三维动画可用于可视化系统动力学。
图三 在Simscape Multibody中，前悬架由块建模
Simscape Multibody包含一个模块库、模拟和控制接口，用于将Simscape计划与Simulink环境互连，还可以使用Simscape系列产品中的组件将液压、电气、气动和其他物理系统集成到模型中。RecurDyn有一个功能强大、设计直观的GUI。它包含一个用于模型开发、模拟和结果分析的完全集成的环境。模型创建和参数定义的预处理以及分析结果的后处理直接集成到GUI中。GUI中还存在大量定制选项，通过自动化常见任务来提高生产率。
3.更准确，MBDS软件可以模拟“真实世界的物理”。
为了模拟多刚体的动力学行为，需要求解描述系统运动的一系列运动方程。这些方程称为微分代数方程（DAE），是描述运动的微分方程和封装关节约束的代数方程的组合。在线性动力学仿真中，由于多核处理器的存在，求解器具有较高的效率和精度。
利用多体动力学解决方案技术，如ADAMS等MBDS在FEA解决方案所需时间的一小部分内运行非线性动力学。通过模拟计算的载荷和力可以更好地评估它们在整个运动范围和操作环境中的变化，从而提高有限元分析的准确性。
4.可重复性，在现实生活中，使用MBDS软件进行故障测试需要花费大量时间和金钱，因此可以在故障条件下重复模拟和验证。我们有一些好处：
创造稳健的设计。指定部件的故障标准，包括基于时间、负载或温度的条件。对退化的部件行为进行建模，例如齿轮齿磨损或轴承摩擦增加。自动配置模型，以便在故障条件下有效验证设计。
图四 当力超过接头的上限时，两个零件之间的连接断裂
执行预测性维护。生成数据以培训预测性维护算法。在常见和罕见场景下使用虚拟测试验证算法。通过确保以正确的时间间隔进行维护，减少停机时间和设备成本。
尽量减少损失。计算机械部件消耗的功率。验证部件是否在其安全操作区域内运行。模拟特定事件和测试场景集，然后在MATLAB中对结果进行后期处理。
多体动力学仿真软件使设计阶段的更改比物理原型测试所需的速度更快，成本更低。提供更安全的环境，无需担心因仪器故障而丢失数据。在没有物理测试的情况下，可以在所有情况下进行模拟或分析，而不会产生危险。
声明：本站部分文章及图片源自用户投稿，如本站任何资料有侵权请您尽早请联系jinwei@zod.com.cn进行处理,非常感谢！