注：本文譯自Adams市場經(jīng)理Hemanth Kolera-Gokula所寫《Debunking the Five Myths of Multibody Dynamics Simulation》

基于物理的仿真已經(jīng)成為工程產(chǎn)品開發(fā)過程的一個組成部分，仿真已跨越物理類型和行業(yè)。汽車、航空航天、重型機械和能源行業(yè)的工程師通常利用多體動力學(xué)（MBD）仿真來模擬復(fù)雜裝配體零部件的運動，隨著工程組織（企業(yè)或研究機構(gòu)）面臨復(fù)雜的新的工程挑戰(zhàn)，多體仿真應(yīng)用也在不斷增加。

仿真功能使工程師能夠探索組件和幾何配置之間的相互作用，用以設(shè)計控制策略和優(yōu)化系統(tǒng)動力學(xué)。所有這些都可以在設(shè)計過程的早期實現(xiàn)，并且不需要不斷的和昂貴的原型設(shè)計的開銷。

今天，MBD能實現(xiàn)的可能性已經(jīng)超出了我們的認知程度。更多高性能計算機、互操作性標準以及求解技術(shù)和仿真方法的進展有助于為機構(gòu)設(shè)計帶來新的理念。而一些組織正在向前邁進，以往的認知和觀念阻礙了MBD仿真的應(yīng)用，它們對現(xiàn)代工程開發(fā)過程具有重要價值。本文重點討論與MBD仿真相關(guān)的五個常見誤區(qū)以及面臨的挑戰(zhàn)，每一個都說明當(dāng)前開發(fā)能力存在的不足和可能被忽視的好處。

誤區(qū)一

MBD仿真=運動分析

MBD仿真求解一套復(fù)雜的相互關(guān)聯(lián)系統(tǒng)，遠遠超出了僅僅模擬約束機構(gòu)的運動。領(lǐng)先的組織不會在局部進行優(yōu)化，而是跨學(xué)科協(xié)作來權(quán)衡參數(shù)并實現(xiàn)所需的系統(tǒng)級優(yōu)化。例如，汽車制造商擁有跨職能的團隊，他們專注于機械耐久性、安全性、噪音和振動分析。MBD仿真可實現(xiàn)這種協(xié)作開發(fā)，并作為貫穿這些團隊的共同基礎(chǔ)，以實現(xiàn)系統(tǒng)級設(shè)計。

通過考慮感興趣的響應(yīng)頻率和振幅，MBD仿真應(yīng)用的廣度和深度變的顯而易見。以車輛的工程設(shè)計為例，車輛操控性仿真主要集中在與車輛事件（如車輛轉(zhuǎn)彎）相關(guān)的低頻響應(yīng)上。在頻譜的另一端，模擬車輛行駛和NVH（噪聲、振動和平順性）特性的應(yīng)用程序捕獲與較高頻率和較低振幅相關(guān)的現(xiàn)象。例如，整車對道路顛簸的響應(yīng)或傳動系振動對乘員的影響。耐久性工程師通過頻譜研究各種行駛、操縱和NVH設(shè)計參數(shù)對整車載荷的影響。

MBD仿真中的頻率特性決定了所需模型的詳細程度和保真度。一般來說，頻率響應(yīng)越高，對模型保真度的要求就越高。用戶創(chuàng)建定制的模型用例來捕獲感興趣的系統(tǒng)響應(yīng)。為了集中管理這些不同的用例，現(xiàn)在更高級的MBD仿真解決方案是將多個車輛配置合并到單個裝配模型中，并將多個配置合并到單個子系統(tǒng)中。通過這種方式，可以創(chuàng)建一個單一模型數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫表示不同保真度（柔性、梁、剛性）的車輛配置，并根據(jù)特定頻率響應(yīng)（操縱性、平順性、耐久性）進行定制。由于模型是用來自各方的新數(shù)據(jù)不斷改進、豐富和完善的，這種方法可以有效地維護這些配置。

誤區(qū)二

MBD仿真只用于設(shè)計早期的概念設(shè)計研究

雖然MBD仿真在動態(tài)系統(tǒng)的概念設(shè)計中被大量使用，但其優(yōu)點貫穿于設(shè)計周期的各個階段。

在工程開發(fā)過程中，系統(tǒng)級目標被識別并級聯(lián)到子系統(tǒng)和組件級。然后使用基于物理和應(yīng)用的各種仿真解決方案開發(fā)和驗證組件、子系統(tǒng)和完整系統(tǒng)原型的性能。

在汽車工業(yè)中，行駛和操縱特性的更高級別目標受到道路載荷以及懸架和底盤配置的影響。MBD仿真是機械系統(tǒng)和子系統(tǒng)概念研究的理想工具，可以調(diào)整關(guān)鍵位置的質(zhì)量和剛度等特性。在獲得任何詳細的設(shè)計信息之前，可以快速設(shè)計和探索這些概念模型。

在開發(fā)周期的驗證階段，也存在利用MBD仿真的時機。例如，飛機制造商空中客車公司（Airbus）此前通過建造試驗臺來驗證各種監(jiān)管要求，這些試驗臺可使結(jié)構(gòu)組件偏轉(zhuǎn)，以模擬高升力配置，并確保操縱面的完整操作。這種方法有多個缺點：需要具備制造好了的機翼系統(tǒng)，以及需要測試的時間和成本，以及與修復(fù)測試發(fā)現(xiàn)的問題相關(guān)的成本。空中客車公司目前已在設(shè)計過程中將有限元分析（FEA）和MBD仿真結(jié)合起來，以同等水平替代證明符合監(jiān)管要求所需的物理試驗。

近年來，計算能力更強的高性能計算和更快的求解器的出現(xiàn)，使得MBD模型能夠作為硬件在環(huán)（HiL）和駕駛員在環(huán)（DiL）測試系統(tǒng)的一部分用于道路車輛試驗臺，以進行系統(tǒng)測試、驗證和校準。在試驗臺上能夠使用真實的和虛擬的子系統(tǒng)定義，通過減少對物理測試原型的需求，使車輛測試更便宜、更高效。

MBD仿真的使用不再局限于產(chǎn)品開發(fā)過程的單一階段。從概念系統(tǒng)設(shè)計到物理測試，MBD仿真對領(lǐng)先工程組織中動態(tài)系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)有著廣泛的影響。

誤區(qū)三

MBD模型的物理保真度有限

在MBD仿真中，機構(gòu)中最復(fù)雜的部分可以表示為一個簡單的環(huán)節(jié)，這樣就可以在系統(tǒng)層次上研究其動力學(xué)。然而，MBD仿真的實用性并不局限于研究廣泛的系統(tǒng)級效應(yīng)。今天，MBD正被應(yīng)用于組件級的高度復(fù)雜的物理模型。此外，當(dāng)可以向模型提供正確的輸入（例如零件符合度、彈簧或襯套特性）時，可以實現(xiàn)高水平的物理級精度。

隨著產(chǎn)品開發(fā)過程的深入，有機會逐步提高MBD模型的保真度。使用初始MBD分析確定機構(gòu)的拓撲結(jié)構(gòu)，然后分析人員可以結(jié)合CAD來詳細說明單個零件。然后，基于CAD數(shù)據(jù)的FEA提供了詳細的零件符合度，從而能夠創(chuàng)建可用于進一步增強MBD模型保真度的柔性體。在每個階段，MBD系統(tǒng)模型都可以與可用的工程信息級別保持一致，以確保最佳的保真度。

當(dāng)然，與任何模擬技術(shù)一樣，MBD模型必須根據(jù)預(yù)期模擬所需的物理逼真程度進行調(diào)整。例如，用于車輛操縱性分析的模型的保真度可以進一步細化，以捕捉行駛頻率范圍內(nèi)的響應(yīng)。這些調(diào)整是通過提供更高保真度組件來實現(xiàn)的，如阻尼器，襯套，液壓支架和輪胎。

協(xié)同仿真是提高模型保真度的另一種途徑。將MBD模型與FEA工具耦合以模擬復(fù)雜部件級行為（如大變形或非線性材料）越來越常見。高頻聲學(xué)模擬與MBD模型相結(jié)合，使產(chǎn)品設(shè)計師能夠研究噪聲源，并評估結(jié)構(gòu)設(shè)計變化如何幫助他們減少傳遞到環(huán)境中的噪聲。