????????隨著控制系統復雜性的增加和機器人技術的快速發展，各種復雜的機械系統出現了，如車輛、航天器、機械臂、機器人和人類科學。由于系統自由度的不斷提高，越來越多的復雜系統無法用單一模型來建模。因此，開展多體系統建模與仿真研究具有重要意義。另一方面，由于現代精密控制系統的復雜性越來越高，系統內部的組件越多，受控系統的故障概率就越大。在大型復雜系統中，某個子系統一旦發生事故，可能會造成重大的財產損失。

????????1977年，多體動力學研討會首次在慕尼黑舉行，德國從那時起，關于多體動力學的國際會議層出不窮。近年來，研究人員對多體系統的建模與仿真進行了深入的研究。

????????多體動力學仿真（MBDS）軟件將實際系統分解為剛體、關節、約束、坐標系、驅動器、傳感器、輸入和其他組件。一個復雜的系統可以用圖形組件建模。此外，整個仿真過程包括兩個階段：建模和求解。建模包括兩個過程：

????????????????首先，物理建模，從幾何模型形成物理模型。

????????????????第二，數學建模，從物理模型形成數學模型。

????????解算器是一組求解運動方程的計算算法。解算器的選擇取決于問題類型、運動學/動力學、靜態平衡、特征值分析等。應選擇相應的解算器進行數值計算和求解。它適用于研究相互連接的剛體和/或柔性體在發生大平移或旋轉位移時的動力學行為。這些物體的運動是根據施加的載荷和定義的邊界條件計算的。

????????多體動力學仿真（MBDS）不僅可以用于預測可以評估和優化機械系統性能、運動軌跡、碰撞檢測、峰值負載等，還可以用于安全性、舒適性等多個方面。用戶不僅可以使用通用模塊模擬簡單的機械系統，還可以使用特定模塊快速有效地建模和模擬相關工業應用中的問題。

????????MBDS在產品開發中的潛力主要體現在以下幾個方面原因：

????????1.減少開發周期和生命周期成本。

????????制造商通常很難理解真實的系統性能，直到設計過程的最后階段。機械、電氣和其他子系統根據其在系統工程過程中的具體要求進行驗證，但完整的系統測試和驗證來得晚，導致返工和設計變更，其風險和成本比早期的更高。

圖一 防側傾桿在側傾運動下的仿真

????????MBS通過實現早期系統級設計驗證，提高了工程效率，降低了產品開發成本。工程師可以評估和管理運動、結構、驅動和控制等學科之間的復雜交互，以更好地優化產品設計，實現性能、安全性和舒適性。除了廣泛的分析能力，MBS還針對大規模問題進行了優化，充分利用了高性能計算環境。

????????MBS的計算時間相對較短。這使其成為一種非常有效的仿真工具，是具有多個自由度的復雜組件的參數研究和優化的最佳選擇。

????????由于計算時間較短，MBS能夠及早了解設計參數對系統整體性能的影響。這允許在開發過程的早期階段做出有根據的設計選擇，通過縮短交付周期和顯著減少擴展硬件測試的數量來節省成本。

?圖二 輪胎與地面接觸時的作用力

????????舉個例子，有了Adams Car，工程師可以快速構建和測試整車和車輛子系統的功能虛擬原型。在Adams車輛垂直環境中工作，汽車工程團隊可以在各種道路條件下執行其車輛設計，執行通常在試驗實驗室或試驗跑道上進行的相同試驗，但時間很短。可以滿足以下要求：

? 懸架、轉向和整車操縱分析

? 易于將控制系統集成到車輛模型中

? 在線框或三維實體中創建或導入零部件幾何圖形

? 用于定義零件連接性的關節和約束的廣泛庫

? 通過零件柔性、自動控制系統、接頭摩擦和滑動、液壓和氣動執行器以及參數化設計關系對模型進行優化

? 復雜大運動設計的綜合線性和非線性結果

? 全面且易于使用的接觸功能支持模態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程序的復雜性降低了。隨著MBS的發展，它現在不再是為仿真專家或動態分析專家設計的，而是為普通設計工程師設計的。

????????在MATLAB?Simscape多體程序中，復雜的多體系統可以由表示實體、關節、約束、力元素和傳感器的塊構建。它為整個機械系統建立并求解運動方程，自動生成的三維動畫可用于可視化系統動力學。

圖三 在Simscape Multibody中，前懸架由塊建模

????????Simscape Multibody包含一個模塊庫、模擬和控制接口，用于將Simscape計劃與Simulink環境互連，還可以使用Simscape系列產品中的組件將液壓、電氣、氣動和其他物理系統集成到模型中。RecurDyn有一個功能強大、設計直觀的GUI。它包含一個用于模型開發、模擬和結果分析的完全集成的環境。模型創建和參數定義的預處理以及分析結果的后處理直接集成到GUI中。GUI中還存在大量定制選項，通過自動化常見任務來提高生產率。

????????3.更準確，MBDS軟件可以模擬“真實世界的物理”。

????????為了模擬多剛體的動力學行為，需要求解描述系統運動的一系列運動方程。這些方程稱為微分代數方程（DAE），是描述運動的微分方程和封裝關節約束的代數方程的組合。在線性動力學仿真中，由于多核處理器的存在，求解器具有較高的效率和精度。

????????利用多體動力學解決方案技術，如ADAMS等MBDS在FEA解決方案所需時間的一小部分內運行非線性動力學。通過模擬計算的載荷和力可以更好地評估它們在整個運動范圍和操作環境中的變化，從而提高有限元分析的準確性。

????????4.可重復性，在現實生活中，使用MBDS軟件進行故障測試需要花費大量時間和金錢，因此可以在故障條件下重復模擬和驗證。我們有一些好處：

????????創造穩健的設計。指定部件的故障標準，包括基于時間、負載或溫度的條件。對退化的部件行為進行建模，例如齒輪齒磨損或軸承摩擦增加。自動配置模型，以便在故障條件下有效驗證設計。

?圖四 當力超過接頭的上限時，兩個零件之間的連接斷裂

????????執行預測性維護。生成數據以培訓預測性維護算法。在常見和罕見場景下使用虛擬測試驗證算法。通過確保以正確的時間間隔進行維護，減少停機時間和設備成本。

????????盡量減少損失。計算機械部件消耗的功率。驗證部件是否在其安全操作區域內運行。模擬特定事件和測試場景集，然后在MATLAB中對結果進行后期處理。

????????多體動力學仿真軟件使設計階段的更改比物理原型測試所需的速度更快，成本更低。提供更安全的環境，無需擔心因儀器故障而丟失數據。在沒有物理測試的情況下，可以在所有情況下進行模擬或分析，而不會產生危險。

總結

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）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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