一种建立多体系统计算模型的新方法

本文根据约束的数学力学性质提出了一种新的多体系统建模方法。同传统的缩并法相比，本文所提出的方法具有更好的数值稳定性和较高的计算效率。     

平均函数与有限元基函数的平均修正

首次提出了有限元基函数的平均修正法。经过平均修正的有限元基函数，一方面保留了修正前的许多特性，另一方面又使修正后的基函数具有任意阶的导数。从而使单元间包括导数在内的任何不协调性消除。并对引入平均修正后所引起的单元形成，单元组装等过程的改变进行了讨论。     

考虑变形耦合的几何非线性空间梁单元

以"精确几何模型梁单元"为代表的很多几何非线性梁单元,在构造过程中分别对描述截面转动的转角和描述截面形心位置的位移进行了独立插值,由此引起了诸如运动学描述冗余和剪切闭锁等困难。其根本原因在于单元形函数没能体现细长梁中的变形耦合关系。本文对这类传统单元进行了改造,通过深入研究单元变形之间的内在联系,提出了一种变形场完全满足Bernoulli梁变形耦合关系的新单元,避免了构造过程中对转动矢量的插值,并通过数值算例检验了单元的有效性。     

柔性多体系统动力学─—理论和应用力学的一个活跃领域

本文在简要回顾柔性多体系统动力学的发展现状基础上，讨论了这门交叉性、边缘性学科向深层次研究的几个关键问题的认识，最后，对未来的研究提出看法．     

有限转动张量的保角参量及在多柔体系统中的应用

采用保角转动参数描述了多体系统中的大转动张量．该方法消除了传统的欧拉参数描述所必需的约束方程，并且适于大变形部件的建模需要．利用以上结果建立了含大变形梁状部件的多体系统的力学模型．     

基于曲率插值的大变形梁单元

线性梁单元的形函数在单元大转动时会引起虚假应变,不适用于几何非线性分析．传统的几何非线性梁单元由于位移插值和转角插值的相干性,常常引起剪切闭锁等问题．该文 提出了一种平面大变形梁单元,通过单元域内的曲率插值以及曲率与节点位移之间的函数关系,将单元节点力和节点位移表示为节点曲率的函数．由于曲率插值本质上是对梁的应变进行插值,保证了单元任意刚体运动不会产生虚假的节点力;且将梁的截面形心位移表示为曲率的函数,避免了传统单元中的剪切闭锁问题．因而所提方法特别适用于梁的几何非线性分析．数值算例说明了所提方法的正确性和有效性.     

含铰接杆系结构几何非线性分析子结构方法

将细长杆系结构按长度方向划分为多个子结构,由于在子结构坐标系下的节点位移均是小位移,可以将子结构内部自由度凝聚到边界. 考虑到子结构端面在变形过程中保持为刚性截面,将端面节点自由度进一步凝聚到端面形心点,这样每一个子结构就减缩成形式上只有两个节点的广义梁单元,大大减缩了自由度. 大位移大转动是细长杆系结构产生几何非线性效应的一个重要原因,基于共旋坐标法,建立了随单元一起运动的随动坐标系,推导了子结构单元的节点力平衡方程及其切线刚度阵. 同时,考虑到工程机械中细长杆系结构含有相互铰接的刚体加强块,给出了非独立自由度节点力转换到独立参数下的广义节点力及其导数. 最后,通过履带式起重机的副臂工况算例,给出了其在不同载荷下的臂架结构位移,验证了方法的正确性.      

多体系统中的冗余约束

冗余约束主要起因于系统奇异构型以及切断铰约束方程的自动生成, 它的存在对多体系统建模和求解都提出了更高的要求. 为了使系统运动方程可解, 需要从系统约束中分离出一组独立约束, 不同的独立约束组往往造成数值分析结果的不同, 但本文严格证明了理论上它们是一致的. 冗余约束在很大程度上加大了系统奇异构型附近违约量控制的难度. 针对这一困难, 本文提出了一种将约束稳定化和违约修正相结合的方法, 数值算例证明了方法的有效性. 鉴于物体的受力分析是实际工程的迫切需要也是多体系统动力学核心任务之一, 本文研究了冗余约束对约束反力的影响, 给出了判别铰约束反力是否唯一的实用准则, 针对两个铰连接同一对物体而引起的冗余约束, 提出了铰合成原理及其求解各自铰内接触力的方法, 并通过数值算例说明了方法的可行性.      

日地系统L_2点Halo轨道绳系卫星编队动力学

研究平动点附近周期轨道上旋转多体绳系卫星编队系统的非线性耦合动力学问题。编队系统为各卫星质量接近的轮辐状结构,位于日地系统第二平动点附近,整个系统的旋转保持系绳处于张紧状态,建立Hill限制性三体问题的绳系编队系统动力学模型。针对处于留位阶段的典型对称三星编队,在位于较大Halo轨道上无控制力作用的情况下,进行母卫星轨道运动与系绳摆动耦合运动的动力学模拟,分析轨道方向、卫星质量比、系绳长度以及初始旋转速度对编队系统整体稳定性的影响。     

含非理想约束多柔体系统递推建模方法

基于多体系统中邻接物体运动学递推关系,可以证明树状多体系统中末端物体的作用体现为传递给其内接物体的惯性和外力. 由于闭环系统切断铰约束反力和非理想约束反力可看作为系统外力,任何复杂系统都可以转化为等效的树系统,并且系统约束方程中所涉及的广义加速度可以系统化地用描述约束反力的拉氏乘子替换. 基于以上结果,提出了针对含非理想约束多柔体系统递推建模方法. 利用该方法可以将复杂多体系统动态减缩为单个物体,从而在求解系统加速度时不需对整个系统的质量矩阵进行求逆运算,同时大幅度地降低了非理想约束反力方程的维数. 通过一个算例具体说明了所提方法的求解过程,算例结果与现有商业软件所得结果一致.