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机械系统动力学分析与仿真的发展方向及前沿

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发表于2006-8-1509:41|只看该作者|倒序看帖|打印

机械系统动力学分析与仿真的发展方向及前沿（摘自陈立平主编《机械系统动力学

分析及adams应用教程》）

基于多体系统动力学的机械系统动力学分析与仿真技术，从二十世纪七十年代开始

吸引了众多研究者，已解决了自动化建模和求解问题的基础理论问题，并于八十年

代形成了一系列商业化软件，到了九十年代，机械系统动力学分析与仿真技术更已

能成熟应用于工业界。目前的研究重点表现在以下几个方面：

（1）柔性多体系统动力学的建模理论

多刚体系统的建模理论已经成熟，目前柔性多体系统的建模成了一个研究热点，柔

性多体系统动力学由于本身既存在大范围的刚体运动又存在弹性变形运动，因而其

与有限元分析方法及多刚体力学分析方法有密切关系。事实上，绝对的刚体运动不

存在，绝对的弹性动力学问题在工程实际中也少见，实际工程问题严格说都是柔性

多体动力学问题，只不过为了问题的简化容易求解，不得不化简为多刚体动力学问

题、结构动力学问题来处理。然而这给使用者带来了不便，同一个问题必须利用两

种分析方法处理。大多商用软件系统采用的浮动标架法对处理小变形部件的柔性系

统较为有效，对包含大变形部件的柔体多体系统会产生较大仿真分析误差甚至完全

错误的仿真结论。最近提出的绝对节点坐标方法，是对有限元技术的拓展和较大创

新，在常规有限元中梁单元、板壳单元采用节点微小转动作为节点坐标，因而不能

精确描述刚体运动。绝对节点坐标法则采用节点位移和节点斜率作为节点坐标，其

形函数可以描述任意刚体位移。利用这种方法梁和板壳可以看作是等参单元，系统

的质量阵为一常数阵，然而其刚度阵为强非线性阵，这与浮动标架法有截然不同的

区别。这种方法已成功应用于手术线的大变形仿真中。寻求有限元分析与多刚体力

学的统一近年来成为多体动力学分析的一个研究热点，绝对节点坐标法在这方面有

极大的潜力，可以说绝对节点坐标法是柔性多体力学发展的一个重要进展。另外，

各种柔性多体的分析方法之间是否存在某种互推关系也引起了人们的注意，如两个

主要分析方法：浮动标架法、绝对节点坐标法之间是否可以互推？这些都具有重大

理论意义。

另外柔性多体系统动力学中由于大范围的刚体运动与弹性变形运动相互耦合，采用

浮动标架法时，即便是小变形问题，由于处于高速旋转仍会产生动力刚化现象。如

果仅仅采用小变形理论，将产生错误的结论，必须计及动力刚化效应。动力刚化现

象已成为柔性多体动力学的一个重要研究方面。如何利用简单的补偿方法来考虑动

力刚化是问题的关键。

柔性多体系统动力学中关于柔性体的离散化表达存在三种形式：基于有限元分析的

模态表达，基于试验模态分析的模态表达和基于有限元节点坐标的有限元列式。有

限元列式由于大大地增加了系统的求解规模使其应用受到限制，因而一般采用模态

分析方法，对模态进行模态截断、模态综合，从而缩减系统的求解规模。为了保证

求解精度，同时又能提高求解速度如何进行模态截断、模态综合就成了一个关键问

题。再者如何充分利用试验模态分析的结果也是一个关键性研究课题，这一方面的

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研究还不够深入。

柔性多体系统动力学可以计算出每一时刻的弹性位移，通过计算应变可计算计算出

应力。由于一般的多柔体分析程序不具备有限元分析功能，因而柔性体的应力分析

都是由有限元程序处理。由于可以计算出每个柔性体的应力的变化历史，因而可以

再根据疲劳分析程序对柔性体进行寿命分析，但如何利用柔性体的应力分析结果于

疲劳分析程序也是一个关键问题。