因此，如何对工程机械臂的动力学及其性能精确、实时、有效的进行预测和控制成为工程机械臂设计、研发的重要关注内容。工程机械臂，尤其大型工程机械臂通常结构复杂，大多包含各类非线性环节，若按常规的线性系统方法进行分析、设计或诊断，就可能导致严重错误，造成不应有的经济损失。工程机械臂的动态性能已经成为是其工作性能的重要和决定性因素，越来越多的专家学者展开对工程机械臂动力性能的相关研究方法和内容的研究.目前，机械动力学已经发展为广义的机械动力学，其研究内容包括动力学建模、动力学分析，动力学仿真、动力学设计、动力学控制，以及状态检测和故障诊断等一系列问题的内容丰富的综合性学科.

 

　　工程机械臂架系统是典型的多体动力学系统，因此，工程机械臂的动力学性能研究涉及到多种相关学科，如机械动力学，刚体动力学，弹塑性力学，多体动力学线性和非线性振动力学，有限元理论与方法，模态分析理论，控制理论，优化设计理论，现代设计理论等，针对不同的机械臂结构动力性能采用不同的分析方法对其进行分析，并对其动力学性能进行优化，保证并提髙机械产品的动态性能。机械产品的动力学性能的研究内容主要包括：产品结构强度、刚度，动力学特性，线性与非线性振动特性，结构灵敏度特性，动力学稳定性等。

 

　　有限元方法的出现，提髙了机械动力学建模的能力，计算机技术的快速发展提髙了动力学计算的能力。两方面结合的有机结合，使得机械动力学能够处理原来根本无法处理的研究对象。具有很多传统设计方法无法逾越的优越性，已经成为具有很髙的工程应用价值的现代设计技术。特别地，随着计算机技术的普遍应用，出现了许多通用的分析计算软件，如ANSYS、NASTRAN、ADAMS、MATLAB、FORTRAN等。这些软件具有强大的建模与分析功能.综合国内外文献，目前机械动力学研究主要由以下支撑技术构成

 

　　（1）、计算机辅助工程（CAE）与有限元分析，主要包括CAD、CAE、CAM、CAPM，其中CAE包括基于刚体理论的动力学分析，代表软件为Adams、Simpack等；基于结构的承载下的应力、应变、模态振型、振动响应等分析，代表软件为Nastran、Ansys、Adams

 

　　（2）、模态分析技术。包括计算模态分析（主要利用有限元法（FEM））和试验模态分析（EMA），二者相辅相成。

 

　　（3）、机械结构优化技术，主要包括结构建模与分析技术，灵敏度分析技术，优化方法，结构重分析等。

 

　　（4）、机械结构动力学控制，主要包括运动轨迹跟踪控制控制和稳定性控制等。

 

　　目前，工程机械臂的设计研发仍以传统的设计方法为主，上述各种先进技术方法的应用还很不成熟，因此工程机械臂在使用中不能真实反映其动力学特性，明显不能保证使用要求的严格满足。而国内各行业生产建设中，各种工程机械臂在工程建设中的重要性和广泛的使用，其作业量剧增，与其相关的产品的研发及相关技术的研究曰益成为当前众多企业激烈竞争的焦点。

 

　　在实际工作中，无论是析架履带起重机的臂架，还是船用挖掘机和塔式起重机的臂架，都是具有大运动和位移的弹性构件，即便在正常的静载作用下，吊臂端点的变形也很大，并且不管是起升、变幅还是回转工况机械臂承受的都是动载，工作过程中的弹性变形和振动非常明显，工作中还需要经常地进行启动和制动，这种工作性质决定了其经常还会受到各种冲击载荷的影响。因此新的设计理论和方法的应用成为必然趋势。综合运用各种建模、仿真、数值分析、实验等先进技术手段对工程机械臂进行准确的动力分析已成为一个重要的研究领域。鉴于此，本文在以工程机械臂的相关理论为研究主要依据，其中主要涉及到多刚体动力学、柔性多体动力学、PID及神经网络控制、结构动态优化等理论，综合运用CAE仿真技术及数值求解方法研究工程机械臂的动力学微分方程建模方法及数值求解、仿真建模及分析，在此基础上对其展开动力学特性研究，并以典型工程机械臂：船用挖掘机臂架和液压挖掘机臂架为研究对象建立起刚体动力学模型、多柔体动力学模型、运用数值求解方法对其动力学特性进行求解分析；建立其多体动力学仿真模型及刚柔祸合动力学仿真模型，采用相关软件进行动力学仿真；研究工程机械臂运动智能控制的建模及仿真，并以液压挖掘机机械臂斗运动轨迹控制为例进行说明；建立液压挖掘机臂架结构动态优化模型，釆用适当的优化方法进行优化求解，并进行比较。

 

　　工程机械臂架系统属于典型多体系统.

 

　　首先介绍多体系统动力学的国内外研究现状。多体系统的物理模型定义为由物体、铰、力元和外力等要素组成且具有一定拓扑结构的系统，多体系统动力学是研究多体系统运动规律的科学。多体系统动力学：包括多刚体系统动力学和多柔体系统动力学，多柔体系统与多刚体系统的关系.多体系统动力学研究内容主要包括刚、柔体动力学建模理论及其计算方法、微分方程的数值求解、计算效率、机构综合分析、柔性效应、控制理论、优化方法、实时仿真虚拟样机技术、并行计算和可靠性等。目前多体动力学巳形成了比较系统的分析和建模方

 

　　法。其中主要有工程中常用的以拉格朗日方程为代表的分析力学的方法、以牛顿-欧拉方程为代表的矢量学方法、图论方法、凯恩方法和变分方法等。

 

　　对于多体系统的研究，国内外学者进行了大量研究。在刚体动力学方面：Hchter各驱动杆当作理想的二力杆来处理，忽略连杆及铰链的质量，根据动平台的力及力矩平方程推导了Stewart平台的动力学方程i22"；RBetsch对柔性多体动力学的DAE模型进行研究；Codourey介绍了基于拉格朗曰方程和虚功方程建立并联机构的动力学模型的方宋宇等以多刚体系统动力学的拉格朗曰方法对车辆悬架进行理论分析和仿真童光等釆用Kane-Huston方法建立轴向柱塞系机液祸合作用的多体力学模型，并进行数求解和仿真模拟；戴丽等采用多体动力学理论拉格朗日方程建立了四节臂混凝土系车械臂架的刚性运动微分方程，并通过数值求解的方法对各臂杆的转角和末端轨迹进行了解分析对于柔性多体系统的研究，目前也有很多文献：RBetsch对柔性多体动力的DAE的求解方式进行了研究.Glangfois在对多体系统动力学的柔性阻尼系统进深入研究的基础上，利用凯恩方程对六自由度的两单元系统动力学系统进行动力学建'；Rshi对柔性多体动力学问题的欧拉梁应用作了研究国内陆佑方等对多柔体系动力学进行了系统深入研究郭大猛等利用机器人理论和拉格朗日方程建立了混凝泵车柔性臂架的动力学微分方程，并充分考虑柔性广义坐标的基础上进行了逆动力学问的求解金国光建立了带有空间伸展机构的复杂航天器的柔性多体动力学模型并进行分析张绪平等基于柔性多体动力学的理论，综合考虑空间机器人关节及柔性连杆动力学，建立刚柔耦合的空间机器人多体动力学模型；孙世基等建立了内燃机曲柄杆机构的柔性多体动力学模型。