揭开多体动力学仿真的五大误区（上篇）
注：本文译自Adams市场经理Hemanth Kolera-Gokula所写《Debunking the Five Myths of Multibody Dynamics Simulation》
基于物理的仿真已经成为工程产品开发过程的一个组成部分，仿真已跨越物理类型和行业。汽车、航空航天、重型机械和能源行业的工程师通常利用多体动力学（MBD）仿真来模拟复杂装配体零部件的运动，随着工程组织（企业或研究机构）面临复杂的新的工程挑战，多体仿真应用也在不断增加。
仿真功能使工程师能够探索组件和几何配置之间的相互作用，用以设计控制策略和优化系统动力学。所有这些都可以在设计过程的早期实现，并且不需要不断的和昂贵的原型设计的开销。今天，MBD能实现的可能性已经超出了我们的认知程度。更多高性能计算机、互操作性标准以及求解技术和仿真方法的进展有助于为机构设计带来新的理念。而一些组织正在向前迈进，以往的认知和观念阻碍了MBD仿真的应用，它们对现代工程开发过程具有重要价值。本文重点讨论与MBD仿真相关的五个常见误区以及面临的挑战，每一个都说明当前开发能力存在的不足和可能被忽视的好处。
MBD仿真求解一套复杂的相互关联系统，远远超出了仅仅模拟约束机构的运动。领先的组织不会在局部进行优化，而是跨学科协作来权衡参数并实现所需的系统级优化。例如，汽车制造商拥有跨职能的团队，他们专注于机械耐久性、安全性、噪音和振动分析。MBD仿真可实现这种协作开发，并作为贯穿这些团队的共同基础，以实现系统级设计。
通过考虑感兴趣的响应频率和振幅，MBD仿真应用的广度和深度变的显而易见。以车辆的工程设计为例，车辆操控性仿真主要集中在与车辆事件（如车辆转弯）相关的低频响应上。在频谱的另一端，模拟车辆行驶和NVH（噪声、振动和平顺性）特性的应用程序捕获与较高频率和较低振幅相关的现象。例如，整车对道路颠簸的响应或传动系振动对乘员的影响。耐久性工程师通过频谱研究各种行驶、操纵和NVH设计参数对整车载荷的影响。
MBD仿真中的频率特性决定了所需模型的详细程度和保真度。一般来说，频率响应越高，对模型保真度的要求就越高。用户创建定制的模型用例来捕获感兴趣的系统响应。为了集中管理这些不同的用例，现在更高级的MBD仿真解决方案是将多个车辆配置合并到单个装配模型中，并将多个配置合并到单个子系统中。通过这种方式，可以创建一个单一模型数据库，该数据库表示不同保真度（柔性、梁、刚性）的车辆配置，并根据特定频率响应（操纵性、平顺性、耐久性）进行定制。由于模型是用来自各方的新数据不断改进、丰富和完善的，这种方法可以有效地维护这些配置。
虽然MBD仿真在动态系统的概念设计中被大量使用，但其优点贯穿于设计周期的各个阶段。
在工程开发过程中，系统级目标被识别并级联到子系统和组件级。然后使用基于物理和应用的各种仿真解决方案开发和验证组件、子系统和完整系统原型的性能。在汽车工业中，行驶和操纵特性的更高级别目标受到道路载荷以及悬架和底盘配置的影响。MBD仿真是机械系统和子系统概念研究的理想工具，可以调整关键位置的质量和刚度等特性。在获得任何详细的设计信息之前，可以快速设计和探索这些概念模型。在开发周期的验证阶段，也存在利用MBD仿真的时机。例如，飞机制造商空中客车公司（Airbus）此前通过建造试验台来验证各种监管要求，这些试验台可使结构组件偏转，以模拟高升力配置，并确保操纵面的完整操作。这种方法有多个缺点：需要具备制造好了的机翼系统，以及需要测试的时间和成本，以及与修复测试发现的问题相关的成本。空中客车公司目前已在设计过程中将有限元分析（FEA）和MBD仿真结合起来，以同等水平替代证明符合监管要求所需的物理试验。
近年来，计算能力更强的高性能计算和更快的求解器的出现，使得MBD模型能够作为硬件在环（HiL）和驾驶员在环（DiL）测试系统的一部分用于道路车辆试验台，以进行系统测试、验证和校准。在试验台上能够使用真实的和虚拟的子系统定义，通过减少对物理测试原型的需求，使车辆测试更便宜、更高效。MBD仿真的使用不再局限于产品开发过程的单一阶段。从概念系统设计到物理测试，MBD仿真对领先工程组织中动态系统的设计和开发有着广泛的影响。
在MBD仿真中，机构中最复杂的部分可以表示为一个简单的环节，这样就可以在系统层次上研究其动力学。然而，MBD仿真的实用性并不局限于研究广泛的系统级效应。今天，MBD正被应用于组件级的高度复杂的物理模型。此外，当可以向模型提供正确的输入（例如零件符合度、弹簧或衬套特性）时，可以实现高水平的物理级精度。随着产品开发过程的深入，有机会逐步提高MBD模型的保真度。使用初始MBD分析确定机构的拓扑结构，然后分析人员可以结合CAD来详细说明单个零件。然后，基于CAD数据的FEA提供了详细的零件符合度，从而能够创建可用于进一步增强MBD模型保真度的柔性体。在每个阶段，MBD系统模型都可以与可用的工程信息级别保持一致，以确保最佳的保真度。当然，与任何模拟技术一样，MBD模型必须根据预期模拟所需的物理逼真程度进行调整。例如，用于车辆操纵性分析的模型的保真度可以进一步细化，以捕捉行驶频率范围内的响应。这些调整是通过提供更高保真度组件来实现的，如阻尼器，衬套，液压支架和轮胎。协同仿真是提高模型保真度的另一种途径。将MBD模型与FEA工具耦合以模拟复杂部件级行为（如大变形或非线性材料）越来越常见。高频声学模拟与MBD模型相结合，使产品设计师能够研究噪声源，并评估结构设计变化如何帮助他们减少传递到环境中的噪声。
