机械动力学发展方向
随着高速、轻质机器人、航天器、车辆等复杂机械系统的高性能、高精度设计要求,对机械系统的精确、实时、有效的运动预测和控制已成为目前机械系统动力学领域的研究热点和难点。
在兵器、机器人、航空、航天、机械等国防和国民经济建设中,诸如发射系统、飞行器、机械手、民用机械等大量的机械系统均可归结为以各种方式相连接的多个刚体和弹性体组成的多体系统。
多体系统动力学是研究上述复杂机械系统动态特性最行之有效的方法,已成为现代力学的重要发展支流。
近代机械发展的一个显著特点是,自动调节和控制装置日益成为机械不可缺少的组成部分。
机械动力学的研究对象已扩展到包括不同特性的动力机和控制调节装置在内的整个机械系统,控制理论已渗入到机械动力学的研究领域。
1. 基于多体系统动力学理论开发的热点:
(1)柔性多体系统动力学建模
近40 年来,国内外专家学者不断创造性地提出和改进各种多体系统动力学方法。
依据不同的动力学原理(方法),柔性多体系统动力学建模主要基于两类基本方法:矢量力学方法和分析力学方法。
Newton/Euler(N/E)方法是典型的矢量力学方法,其特点是对每个物体做隔离分析,物理意义明确,刻划了系统完整的受力关系,是目前动力学实时分析控制的主要手段。
分析力学方法主要包括由d'Alembert原理(或Jourdain原理)出发导出的Lagrange 方法及由Gauss 极小值原理出发导出的LiLov方法等,主要以Lagrange 方法为代表,其特点是将系统作为整体考虑,在建模过程中不出现约束反力,列写运动微分方程方法规格化,方程数目最少,所得方程为常微分方程,处理的是标量,但推导过程繁冗,所得方程很长。
(2)三维可视化仿真。
机械系统动力学三维可视化仿真是机械系统动力学研究的另一热点问题。
上世纪80 年代以来,基于多体系统动力学理论,开发出了许多著名的多体系统商业可视化软件包,比较知名的有ADAMS,DADS,MADYMO 等,为工程技术领域提供强有力的计算机辅助分析的工具[7, 8]。
随着多体系统理论和仿真算法的不断发展,这些软件的分析功能在不断增强,版本也在不断升级,也逐渐可以同有限元技术在大型结构分析中的应用相媲美。
国内一些大学的力学系和机械系于十多年前就开始跟踪国际前沿的研究,在基础理论和方法上取得了许多重要的进展和成果。
但较之国外,在应用和软件的产业化方面还存在很大的差距,而这正是我国当前所急需的
2. 机械动力学的未来趋势
未来机械系统动力学发展的重点将会在以下方面[3]:柔性多体系统的力学响应与其他类型的物理场(如:电、热、磁和流体向量场)耦合求解、柔性多体系统控制与逆动力学设计、柔性多体系统动力学数值求解策略改进。