多体动力学系统仿真技术发展现状与趋势

 多体仿真技术的发展分为3个阶段：前期是以现代计算力学为基础的“多体动力学仿真”阶段，近期扩展到于结构、控制和优化结合的“多体系统仿真”阶段，目前正走向结合机-电-控与多物理场的“多体产品仿真”阶段。

  多体动力学仿真时期

  这一时期是多体仿真的萌芽期，从事多体仿真的多是机构动力学学者。20世纪70年代，随着电脑应用的逐渐普及，以美国为主的许多大学的应用力学学者开始以牛顿的运动定律对机械构造组成建立可数字化的数学模型（Mathematical Models），这就是今天多体仿真的前身。

70年代中期至90年代中期是多体动力学的蓬勃发展期，许多重要的数学模型和算法、有效的数值解法，甚至几何模型与数学模型关系的建立都是发生在此期间，其中影响较大的包括密西根大学的以Eduler Angles为旋转自由度的三维数模，爱荷华大学的Eduler Parameters旋转自由度、相对自由度和递归算法（RecursiveFormulation），伊利诺大学Dr. Shabana的模态柔性体算法等。到了90年代中期这些技术都已成熟，值得一提的是RecurDyn的研发团队集成了以上学术成果，并且引入同时期发展成熟的有限元算法作为可承受大变形和接触的柔性体数模，于90年代末，在微软的视窗操作系统上发布了第一版的RecurDyn，也算是“多体动力学仿真”纪元的一个总成。

   多体系统的仿真时期

  这一时期是多体仿真的成长期，市场主导了多体仿真的内涵。在RecurDyn第一版发布的20世纪90年代末，电脑的容量和速度又达到了一个新境界，新的多体仿真技术要求和挑战也随之浮现，由此迎来了“多体仿真系统”的新纪元。由“多体动力学”引申而来，一般泛指包括机械构造、结构材料和控制（软、硬）元件的整体系统。多体系统仿真则是以电脑辅助的方法对多体系统进行数字化模拟的技术。

多体系统仿真所面临的挑战大致可分为5类：大型模型的运算、滑动和碰撞接触、运动中的柔性体、控制-机构集成，以及系统的设计与优化。在21实际的第一个10年中，RecurDyn的研发总部集成了美、德、日、韩研发团队的技术专长，针对以上5个挑战提出了解答。

大型模型的运算

除了原有的针对大型多刚体模型所提供的递归算法（Recursive Formulation），RecurDyn增加了针对大型有限元多柔体（MFBD）模型的SMP并行求解，这两种算法对提高大型模型的计算效率起到了重要的作用。

滑动和碰撞接触

除了改良原有的面接触算法（Surface Contact Algorithms）以外，RecurDyn还提供了快速的解析解接触算法（Primitive Contact Algorithms）、稳定性更高的实体接触算法（Solid Contact Algorithms），以及支持柔性体的接触算法，这些算法大幅提高了接触计算的速度、稳定性和精确性。

运动中的柔性体

除了原有的以运动中的振动为仿真目的的RFLEX模态法柔性体算法，RecurDyn强化了以运动中的接触、大变形和其他非线性为仿真目的的FFLEX有限元柔性体算法。计算精度因此得到了较大的提升。

控制-机构集成

除了原有的与MATLAB/Simulink联合仿真的功能外，RecurDyn的研发部门直接将控制系统的建模界面和算法集成，其求解器已可以实现机械和控制两种算法的耦合求解，两者在这一时期真正融合成了一个单一的数字化系统。

系统的设计与优化

为了达到以仿真驱动设计的目的，RecurDyn针对不同的产业，研发了各种专业建模工具包，包括发动机的各个子系统、工具机、履带、进纸机构、链、带、滑轮、齿轮、轴承、弹簧等，这些大幅缩短了工程师建立（并修改）数字化仿真系统所需的时间。接着RecurDyn提供了全面的参数化几何建模和优化功能，帮助工程师以数字方法寻找更优化的设计方案。另外还有ProcessNet二次开发工具包，可以依据产品特性和设计需求，开发出专用的参数化系统和设计优化的开发平台。此时，仿真本身已不再是目的，设计的优化才是多体系统仿真的真正目的。

多体产品仿真时期

这一时期是多体仿真的成熟期，多体仿真将成为“数字化产品开发”的核心技术。多体产品仿真指在“多体系统仿真”技术的基础上，加上“多物理场仿真”、“芯片-韧体仿真”、“软-硬件联合仿真”等功能，以进一步达成数字化产品开发的目的。目前正处于这一时期的开端。RecurDyn的研发部门正集中全球的开发资源，计划RecurDyn开发成一个“多学科集成的优化平台”和一个“机-电-控集成的产品开发平台”