摘要：運(yùn)動(dòng)力學(xué)是研究物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的，通常指的是物體的運(yùn)動(dòng).隨著現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)力學(xué)理論的不斷延伸發(fā)展，其在很多領(lǐng)域已經(jīng)有了比較深入的應(yīng)用.基于此，在本文的研究中，主要對(duì)運(yùn)動(dòng)力學(xué)在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行論述，并結(jié)合一些實(shí)際機(jī)械設(shè)計(jì)案例，對(duì)運(yùn)動(dòng)力學(xué)的應(yīng)用價(jià)值和作用進(jìn)行分析，希望可以對(duì)相關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域?qū)\(yùn)動(dòng)力學(xué)的科學(xué)運(yùn)用起到一定的參考和啟發(fā)作用.

關(guān)鍵詞：運(yùn)動(dòng)力學(xué)；零部件鏈接；機(jī)械結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)應(yīng)用；疲勞力學(xué)

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，會(huì)運(yùn)用很多原理，其中運(yùn)動(dòng)力學(xué)原理發(fā)揮著非常重要的理論指導(dǎo)作用.在物理學(xué)的很多力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，運(yùn)動(dòng)力學(xué)也是受到很多研究人員重視和關(guān)注的.可以說，運(yùn)動(dòng)力學(xué)作為機(jī)械科學(xué)與物理學(xué)科的一種連接紐帶，通過科學(xué)合理的應(yīng)用運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)，對(duì)于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改良和優(yōu)化，具有十分有價(jià)值的指導(dǎo)意義.機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率的提升，離不開運(yùn)動(dòng)力學(xué)理論的支撐.因此，本文通過對(duì)運(yùn)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行深度解析，并將機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要素進(jìn)行系統(tǒng)歸納總結(jié)，結(jié)合一些實(shí)際案例，對(duì)運(yùn)動(dòng)力學(xué)在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用問題進(jìn)行分析.

1機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在應(yīng)用中的技術(shù)要素

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是機(jī)械工藝技術(shù)革新的重要技術(shù)手段，而在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中很多關(guān)鍵技術(shù)要素，正是決定機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)水平的基礎(chǔ).運(yùn)動(dòng)力學(xué)在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，不僅要實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)要素的改良優(yōu)化，并且在設(shè)計(jì)工藝、生產(chǎn)效率方面也要得到提升.機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)在幾何層面、理論原理層面，要遵循精密設(shè)計(jì)技術(shù)的原則指導(dǎo)，保證零部件之間實(shí)現(xiàn)精細(xì)緊密的咬合，并保證咬合力得到一定程度的提升.在機(jī)械機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中，咬合力能夠隨著機(jī)械零部件的轉(zhuǎn)動(dòng)，而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的變化，保持同機(jī)械運(yùn)動(dòng)作業(yè)要求相符合的力度要求.機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要對(duì)不同的面進(jìn)行優(yōu)化，通過應(yīng)用運(yùn)動(dòng)力學(xué)原理，保證每一個(gè)不同的面上的用力、收禮以及摩擦阻力等，在機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，達(dá)到和動(dòng)態(tài)平衡變化.

2運(yùn)動(dòng)力學(xué)在機(jī)械結(jié)果設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

運(yùn)動(dòng)力學(xué)在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，有著很高的應(yīng)用價(jià)值.從當(dāng)前的實(shí)踐應(yīng)用情況來看，其價(jià)值主要體現(xiàn)在如下兩個(gè)方面：

0引言

工業(yè)經(jīng)濟(jì)雖然在知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代的來臨和沖擊之下，逐漸走向了式微的發(fā)展階段，但這并非意味著在社會(huì)生活和經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)中，已經(jīng)失去了往昔的主導(dǎo)地位，仍舊存在著不可忽略的價(jià)值和功能，并在國(guó)家復(fù)興的進(jìn)程中，具有強(qiáng)大的助推作用。作為傳統(tǒng)工業(yè)部門中的代表，機(jī)械制造業(yè)不但在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的助推中，作用絕非可有可無，而且在當(dāng)前科技創(chuàng)新的研究領(lǐng)域中，其平臺(tái)作用也是不可小覷。在機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理中，運(yùn)動(dòng)力學(xué)在其中的干預(yù)作用最大，在物理學(xué)的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中，也最受研究人員的重視和關(guān)注。

1機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的在應(yīng)用中的技術(shù)要素

作為機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中的重要組成部分，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵要素，正是促進(jìn)技術(shù)革新的重要手段之一。伴隨著科研活動(dòng)中的理論基礎(chǔ)的日益夯實(shí)和技術(shù)應(yīng)用范圍的日趨擴(kuò)大，物理學(xué)中的相關(guān)原理也逐漸擁有了充足的用武之地，在實(shí)際機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，不斷滿足著機(jī)械結(jié)構(gòu)的符合要求，并促進(jìn)生產(chǎn)水平的解放和提升。在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層面的幾何要素上進(jìn)行分析，機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理，秉持著其精密的設(shè)計(jì)技術(shù)的指導(dǎo)和應(yīng)用，在零部件之間能夠?qū)崿F(xiàn)咬合力的提高，并實(shí)現(xiàn)位置關(guān)系的明確定位和精密確定。在這種幾何要素的關(guān)系體系之內(nèi)，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的因素，便是不同的面，在這些不同的面上，通過完善和優(yōu)化的考量，來保證在零件的不同接觸面上，都可以進(jìn)行合理的安排。

2運(yùn)動(dòng)力學(xué)在機(jī)械結(jié)果設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

運(yùn)動(dòng)力學(xué)在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用價(jià)值，主要體現(xiàn)在2個(gè)方面：

（1）在零部件的鏈接方面。在這一環(huán)節(jié)中，誠(chéng)如上文中論述的那樣，存在著直接鏈接和間接鏈接的差別，由于存在著應(yīng)用方面的差別，所以在運(yùn)動(dòng)力學(xué)的應(yīng)用潛力上，也存在著截然相異的表現(xiàn)。但是作為機(jī)械設(shè)計(jì)中的核心要素，運(yùn)動(dòng)力學(xué)所產(chǎn)生的抽象指導(dǎo)上，從根本上也是如出一轍。例如，利用力矩的變化，通過計(jì)算不同聯(lián)接點(diǎn)的摩擦力和壓力，從而可以了解到不同的節(jié)點(diǎn)的壓力和零件的材料選擇等。在力學(xué)計(jì)算和相應(yīng)的選擇性指標(biāo)的衡量下，構(gòu)成決定零件的選材和位置的排列組合等等，都體現(xiàn)出這一點(diǎn)。

摘要：本文將圍繞柔性機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)建模與控制進(jìn)行研究，注重柔性機(jī)械臂系統(tǒng)描述以及柔性機(jī)械臂數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建，旨在保證柔性機(jī)械臂系統(tǒng)的完整性，為后續(xù)研究工作奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：柔性機(jī)械臂；動(dòng)力學(xué)建模；動(dòng)力學(xué)控制

隨著現(xiàn)代化科學(xué)信息技術(shù)的不斷發(fā)展，柔性機(jī)械臂的功能越來越突出，詳細(xì)的對(duì)柔性機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)中PID控制器、反饋線性化控制、奇異攝動(dòng)法控制、變結(jié)構(gòu)控制以及反演控制法進(jìn)行研究，從而提升其應(yīng)用水平。

1柔性機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)建模研究

1.1柔性機(jī)械臂系統(tǒng)描述。柔性機(jī)械臂系統(tǒng)主要包括柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂傳動(dòng)系統(tǒng)、柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂傳感系統(tǒng)、柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂控制系統(tǒng)等幾個(gè)方面。其中，柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂傳動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)電系統(tǒng)的重要組成部分，是保證機(jī)電設(shè)備安全運(yùn)行的關(guān)鍵，柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂傳動(dòng)系統(tǒng)包含的方面具有多樣性，主要包括連桿結(jié)構(gòu)、鏈傳動(dòng)等。柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂傳感系統(tǒng)是提升系統(tǒng)品質(zhì)的關(guān)鍵，其評(píng)價(jià)指標(biāo)具有多樣性，主要包括分辨率、溫度范圍、震動(dòng)能力等，其中動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征為關(guān)鍵的評(píng)價(jià)指標(biāo)。柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂控制系統(tǒng)中的底層控制系統(tǒng)可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合處理，為了保證傳輸?shù)津?qū)動(dòng)電機(jī)控制信號(hào)的準(zhǔn)確性，要對(duì)數(shù)據(jù)的反饋程序進(jìn)行優(yōu)化，其中底層控制系統(tǒng)主要是可編程邏輯門陣列發(fā)揮作用。上層系統(tǒng)的數(shù)字處理器的處理數(shù)據(jù)信息的速度較快，可以準(zhǔn)確的掌握柔性機(jī)械臂系統(tǒng)的具體位置，保證數(shù)據(jù)傳輸結(jié)果的精確性。1.2柔性機(jī)械臂數(shù)學(xué)模型。柔性機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)建模的前期需要建構(gòu)柔性機(jī)械臂數(shù)學(xué)模型，根據(jù)柔性機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)方程的運(yùn)算情況得出柔性機(jī)械臂系統(tǒng)的勢(shì)能以及動(dòng)能表達(dá)式，其中，影響柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂控制系統(tǒng)的因素具有多樣性，主要包括重力勢(shì)能以及彈性勢(shì)能。假設(shè)有T個(gè)自由度的柔性機(jī)械臂，需要對(duì)2T個(gè)剛體的動(dòng)能進(jìn)行計(jì)算，其中2T中主要涉及T個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)能以及T個(gè)剛性連桿的動(dòng)能。在列動(dòng)能方程式時(shí)要將連桿的位置矢量以及欄桿的慣量矩陣充分考慮在內(nèi)，并根據(jù)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)速率推算出V-1個(gè)連桿的相對(duì)速率。在柔性機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)建模的環(huán)節(jié)中，要對(duì)關(guān)節(jié)減速比設(shè)定為N=160、電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量、電機(jī)減速前以及減速后的角度、連桿質(zhì)量、連桿轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)行設(shè)定。

2柔性機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)控制分析

2.1PID控制器進(jìn)行控制。PID控制器在實(shí)際的應(yīng)用環(huán)節(jié)中操作簡(jiǎn)單方便并且實(shí)用性較強(qiáng)，主要應(yīng)用在剛性機(jī)械臂中，PID控制器為了在柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂中充分發(fā)揮作用，要借助重力補(bǔ)償?shù)膬?yōu)勢(shì)完善柔性關(guān)節(jié)的狀態(tài)反饋結(jié)構(gòu)，將狀態(tài)變量進(jìn)行優(yōu)化，其中狀態(tài)變量主要包括電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度以及時(shí)間求導(dǎo)，可以有效的對(duì)柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂進(jìn)行軌跡控制，有利于保證柔性機(jī)械臂系統(tǒng)的安全運(yùn)行。在應(yīng)用PID控制器的環(huán)節(jié)中，需要將關(guān)節(jié)柔性以及柔性補(bǔ)償?shù)扔绊戧幰蛩乜紤]在內(nèi)，從而提升柔性機(jī)械臂系統(tǒng)的性能[1]。2.2反饋線性化控制。反饋線性化控制的應(yīng)用已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)可，反饋線性化控制主要是借助狀態(tài)空間表達(dá)式的坐標(biāo)變換，對(duì)其線性系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化的過程，逐步形成新等效系統(tǒng)。其中，反饋線性化控制具有線性系統(tǒng)穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)，可以有效的對(duì)柔性機(jī)械臂進(jìn)行控制。在狀態(tài)向量的變換環(huán)節(jié)中，要借助柔性機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)其進(jìn)行控制。當(dāng)反饋線性化等效發(fā)生變化時(shí)，要計(jì)算出位置對(duì)時(shí)間求導(dǎo)后的速度，并借助非線性觀測(cè)器進(jìn)行控制[2]。同時(shí)，由于反饋線性化控制的系統(tǒng)模型的準(zhǔn)確性較低，在實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)中，對(duì)使用效果的影響較大。2.3奇異攝動(dòng)法控制。奇異攝動(dòng)法控制應(yīng)用速度較快，其中主要涉及邊界層法。邊界層法是對(duì)高階系統(tǒng)進(jìn)行分解，從而降低系統(tǒng)方程的階數(shù)，提升慢變系統(tǒng)以及快變系統(tǒng)的相似度。在從高階系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗A系統(tǒng)中，要結(jié)合慢變系統(tǒng)以及快變系統(tǒng)自身變化的實(shí)際情況設(shè)計(jì)出科學(xué)的控制對(duì)策。當(dāng)奇異攝動(dòng)法在柔性機(jī)械臂系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)，要將連桿狀態(tài)以及關(guān)節(jié)的彈力設(shè)定為慢變量、快變量。其中，奇異攝動(dòng)法控制需要考慮的因素較少，但是控制器參數(shù)的準(zhǔn)確性較低，在實(shí)際的應(yīng)用環(huán)節(jié)中控制效果較差，對(duì)柔性機(jī)械臂的系統(tǒng)產(chǎn)生影響[3]。2.4變結(jié)構(gòu)控制。變結(jié)構(gòu)控制的穩(wěn)定性較差，與系統(tǒng)的變化狀態(tài)有關(guān)。在閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變換過程中，要借助切換函數(shù)的優(yōu)勢(shì)，將切換前與切換后的性能進(jìn)行融合。其中滑模變結(jié)構(gòu)是變結(jié)構(gòu)控制的一種，在控制量切換的環(huán)節(jié)中保證系統(tǒng)處于正常運(yùn)行的狀態(tài)，一定程度上與切換函數(shù)有關(guān)。滑模變結(jié)構(gòu)是可以準(zhǔn)確的對(duì)控制對(duì)象的狀態(tài)變量進(jìn)行控制，狀態(tài)軌跡會(huì)出現(xiàn)小幅度的運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，滑動(dòng)模態(tài)在運(yùn)行的環(huán)節(jié)中不易受到外界因素的影響，有利于保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。其中，變結(jié)構(gòu)控制可以高效的對(duì)柔性機(jī)械臂系統(tǒng)進(jìn)行控制，當(dāng)柔性機(jī)械臂系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，變結(jié)構(gòu)控制可以降低系統(tǒng)負(fù)載的變化，并在機(jī)器人中廣泛應(yīng)用[4]。

一、具身經(jīng)濟(jì)學(xué)研究方法;社會(huì)動(dòng)力學(xué)范式

已經(jīng)有研究探討了模仿在發(fā)生軀體社會(huì)互動(dòng)之中或之后對(duì)人的偏好和經(jīng)濟(jì)決策上的影響，表明了軀體動(dòng)作在經(jīng)濟(jì)學(xué)中的作用。更好地理解運(yùn)動(dòng)行為是如何影響經(jīng)濟(jì)決策的一個(gè)可能性是把社會(huì)神經(jīng)經(jīng)濟(jì)學(xué)與模仿的實(shí)驗(yàn)范式進(jìn)行對(duì)比。在社會(huì)動(dòng)力學(xué)的范式下進(jìn)行社會(huì)神經(jīng)經(jīng)濟(jì)學(xué)實(shí)驗(yàn)可能是探索這一目標(biāo)的一個(gè)選擇。社會(huì)動(dòng)力學(xué)的范式是一個(gè)新穎的范式，它可以獲得實(shí)時(shí)的自發(fā)軀體吸引和運(yùn)動(dòng)黏合，在個(gè)體交換信息的時(shí)，兩人一組執(zhí)行一個(gè)運(yùn)動(dòng)，每個(gè)人都按照他們自己的頻率和振幅運(yùn)動(dòng)，不帶其他的步調(diào)。被試沒有得到任何關(guān)于彼此運(yùn)動(dòng)方式的的指導(dǎo):因此可能出現(xiàn)的人際溝通協(xié)調(diào)模式是無意識(shí)的。當(dāng)(視覺)信息沒有發(fā)生交流時(shí)，個(gè)體獨(dú)立地按照他自己的頻率運(yùn)動(dòng)。然而，當(dāng)他們分享他們之間的信息時(shí)，他們無意識(shí)地采取了一個(gè)同步的人際協(xié)調(diào)模式，他們的活動(dòng)在時(shí)空上和頻率上出現(xiàn)了無意識(shí)匹配。當(dāng)他們停止分享信息，他們的運(yùn)動(dòng)頻率就會(huì)出現(xiàn)偏離。有趣的是當(dāng)這種信息的交流結(jié)束了后，他們的運(yùn)動(dòng)頻率沒有回到初始頻率。仔細(xì)觀察數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)他們各自的個(gè)體運(yùn)動(dòng)依然受他們參加過的軀體社會(huì)互動(dòng)的影響。結(jié)果清晰地表明了臨時(shí)性相位鎖定和頻率鎖定的關(guān)聯(lián)(coupling)在后續(xù)行為中的一致性影響，即當(dāng)人們不再存在于彼此面前的時(shí)候:某種運(yùn)動(dòng)社會(huì)記憶仍然存在。因此我們可以猜測(cè)是不是在他們互相交換信息上和在軀體上互相影響彼此時(shí)，自發(fā)同步的方式經(jīng)驗(yàn)性的改變了他們經(jīng)濟(jì)決策的方式。

二、社會(huì)動(dòng)力學(xué)范式神經(jīng)生理學(xué)研究成果

此外，社會(huì)動(dòng)力學(xué)范式的神經(jīng)生理學(xué)版本，雙腦電圖儀系統(tǒng)揭示了一個(gè)新的腦波律動(dòng)，社會(huì)互動(dòng)的某種“神經(jīng)中樞”(neuromarkers)。被稱作Phi，頻率在10赫茲的波定位在右中央頂皮層，隨著個(gè)體間協(xié)調(diào)行為的顯現(xiàn)和結(jié)束而出現(xiàn)和消失。這一發(fā)現(xiàn)無疑在大腦水平上解釋了從不協(xié)調(diào)的社會(huì)互動(dòng)到協(xié)調(diào)的社會(huì)互動(dòng)的轉(zhuǎn)變。在一項(xiàng)后續(xù)研究中發(fā)現(xiàn)當(dāng)人們有意地去協(xié)調(diào)時(shí)，Phi的量級(jí)更大。神經(jīng)系統(tǒng)版本的社會(huì)動(dòng)力學(xué)范式提供了一個(gè)新的視角，解決了關(guān)于前面報(bào)告的從不協(xié)調(diào)行為到協(xié)調(diào)行為的轉(zhuǎn)化是否在腦水平上也有一個(gè)相似的行為這一問題。當(dāng)研究個(gè)體參與社會(huì)經(jīng)濟(jì)游戲時(shí)這樣的一個(gè)結(jié)果在社會(huì)神經(jīng)經(jīng)濟(jì)學(xué)中是有著極大的相關(guān)性的。社會(huì)協(xié)調(diào)性的神經(jīng)中樞的存在表明了人們協(xié)調(diào)與否。它量級(jí)的大小可能揭示了人們模仿和協(xié)調(diào)意圖性強(qiáng)弱。從而為具身神經(jīng)經(jīng)濟(jì)學(xué)打開了新的研究視野。

三、小結(jié)

過去的十年間，認(rèn)知神經(jīng)系統(tǒng)科學(xué)家對(duì)危急關(guān)頭的心理狀態(tài)的神經(jīng)生理基礎(chǔ)感興趣，他們已經(jīng)注意到和使用了來自于被良好控制的實(shí)證范式研究的結(jié)果中的具身因素的強(qiáng)烈影響。我們建議進(jìn)一步發(fā)展具身經(jīng)濟(jì)學(xué)背后的理論基礎(chǔ)是相當(dāng)明確的:為什么要阻止經(jīng)濟(jì)行為人了解彼此在軀體上的存在呢?如果軀體影響在決策動(dòng)力上沒有一個(gè)顯著的效應(yīng)的話。我們堅(jiān)信通過考慮我們整個(gè)軀體在經(jīng)濟(jì)交換中的作用，而不僅僅是大腦的作用，經(jīng)濟(jì)學(xué)會(huì)更加接近真實(shí)的生活。換言之，當(dāng)‘軀體說話時(shí)’，經(jīng)濟(jì)學(xué)家恐怕最明智的做法是去細(xì)心的傾聽……

作者：高友明 單位：湖南師范大學(xué)教育科學(xué)學(xué)院

【摘要】工程機(jī)械使用中會(huì)因?yàn)閼?yīng)力集中、工況復(fù)雜等發(fā)生結(jié)構(gòu)件斷裂等故障。如何在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行有效規(guī)避，是工程機(jī)械行業(yè)設(shè)計(jì)的一大難題。經(jīng)對(duì)比研究，利用Virtual.Lab軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)應(yīng)力分析，可以很好解決此類問題。以挖掘機(jī)為例，在軟件系統(tǒng)中我們模擬挖掘機(jī)整車運(yùn)行系統(tǒng)，生成剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)模型，采用模態(tài)綜合法將挖機(jī)各主結(jié)構(gòu)件作為柔性體置于整車模型中，計(jì)算各結(jié)構(gòu)件的動(dòng)態(tài)應(yīng)力，同時(shí)配合實(shí)際的對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明該多體動(dòng)力學(xué)模型能較好地反映挖掘機(jī)實(shí)際應(yīng)力測(cè)試工況的動(dòng)力學(xué)特性。經(jīng)多次測(cè)試，可以利用動(dòng)態(tài)仿真方法在挖機(jī)故障分析中進(jìn)行應(yīng)用，此方法代替了整機(jī)實(shí)際的應(yīng)力測(cè)試，具有較高的工程應(yīng)用和推廣價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】工程機(jī)械；動(dòng)態(tài)應(yīng)力仿真；應(yīng)用

前言

在工程機(jī)械施工中，挖掘機(jī)因其施工條件惡劣，施工環(huán)境復(fù)雜，施工強(qiáng)度大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件容易開裂，最終導(dǎo)致挖掘機(jī)無法正常施工，影響工作效率，甚至引發(fā)安全事故。同時(shí)因?yàn)橥诰驒C(jī)結(jié)構(gòu)件開裂故障將直接影響生產(chǎn)公司產(chǎn)品在行業(yè)內(nèi)的口碑，最終影響公司的品牌價(jià)值。經(jīng)過對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)故障挖掘機(jī)分析發(fā)現(xiàn)，挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)件開裂故障多數(shù)由挖掘機(jī)的疲勞使用引起，應(yīng)力集中最終導(dǎo)致故障發(fā)生。挖掘機(jī)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)試可以很好發(fā)現(xiàn)這些故障點(diǎn)，從而在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)予以改進(jìn)。但實(shí)際動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)試試驗(yàn)主要面臨試驗(yàn)成本高、試驗(yàn)周期長(zhǎng)等問題。所以挖掘機(jī)動(dòng)態(tài)應(yīng)力仿真正好規(guī)避了此類問題，成為一個(gè)最適宜使用的替代解決方案。結(jié)構(gòu)件動(dòng)態(tài)應(yīng)力仿真計(jì)算目前已成為機(jī)械仿真技術(shù)研究熱點(diǎn)，在技術(shù)上先后提出了多剛體系統(tǒng)仿真、擬靜態(tài)有限元分析法、模態(tài)應(yīng)力疊加法、混合方法等[1~4]。在對(duì)挖掘機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)件動(dòng)態(tài)應(yīng)力仿真計(jì)算測(cè)試過程中，各主結(jié)構(gòu)件的實(shí)際載荷受測(cè)試動(dòng)作、實(shí)際結(jié)構(gòu)、聯(lián)合動(dòng)作等諸多因素影響，難以提取實(shí)際載荷對(duì)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行單獨(dú)的分析，所以考慮把多個(gè)結(jié)構(gòu)件作為一個(gè)柔性體進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，將此柔性體置于挖掘機(jī)整車剛?cè)狁詈隙囿w模型中，采用模態(tài)綜合法計(jì)算各結(jié)構(gòu)件的動(dòng)應(yīng)力，對(duì)整車結(jié)構(gòu)件進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)分析。實(shí)驗(yàn)表明，此方法能夠準(zhǔn)確地模擬挖掘機(jī)各結(jié)構(gòu)件的真實(shí)受力狀況并顯示出來。仿真測(cè)試不僅可以模擬各結(jié)構(gòu)件在挖掘機(jī)實(shí)際應(yīng)力測(cè)試過程中產(chǎn)生的瞬時(shí)應(yīng)力分布云圖，而且可以得到模型中任意結(jié)構(gòu)件的關(guān)鍵部位對(duì)應(yīng)的動(dòng)應(yīng)力-時(shí)間分析圖，經(jīng)對(duì)比，其效果和挖掘機(jī)測(cè)試過程中實(shí)際數(shù)據(jù)基本保持一致。

1挖掘機(jī)力學(xué)模型

經(jīng)過對(duì)其簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，在圖中建立所示的模擬坐標(biāo)系XOY，使其置于工作裝置的垂直對(duì)稱平面內(nèi)，O點(diǎn)與挖掘機(jī)大臂動(dòng)力軸心鉸點(diǎn)A重合，X軸與停機(jī)面平行指向工作裝置鏟斗方向，Y軸與X軸垂直并垂直向上。在仿真測(cè)試中可以忽略各搖桿和連桿等自重的影響，考慮挖掘機(jī)作業(yè)過程中工作裝置受到的主動(dòng)力有油缸壓力和自身重力，被動(dòng)力有挖掘阻力。將地面作用于鏟斗的挖掘阻力向切削刃板J點(diǎn)簡(jiǎn)化，得到作用于J點(diǎn)的挖掘阻力FJ和MJ阻力矩，將挖掘阻力FJ分別向X、Y方向分解為FJX和FJY。為求解挖掘阻力FJ和MJ阻力矩，分別對(duì)G、B、A三個(gè)鉸點(diǎn)列力矩平衡方程如下：以鏟斗為研究對(duì)象，對(duì)G點(diǎn)列力矩平衡方程：F3TE3+G3XG3-XG"#=-FJXYJ-YG"$+FJYXJ-XG%$+MJ（1）以鏟斗和斗桿為研究對(duì)象，對(duì)B點(diǎn)列力矩平衡方程：F2TE2+G3XG3-XB"$+G2XG2-XB"$=-FJXYJ-YB"$+JJYXJ-XB"$+MJ（2）以工作裝置整體為研究對(duì)象，對(duì)A列力矩平衡方程：-F1TE1+G3XG3-XA!"+G2XG2-XA!"+G1XG1-XA!"=-FJXYJ-YA!"+FJYXJ-XA!"+MJ（3）聯(lián)立方程（1）、（2）、（3），即可求解得到挖掘阻力FJ在X、Y方向的分力FJX、FJY和阻力矩MJ。

2挖掘機(jī)整車多體動(dòng)力學(xué)建模