基于高斯原理的多体系统动力学建模

基于高斯最小拘束原理,以释放中的绳系卫星为背景,建立地球引力场内变长度大变形柔索联系的多体系统动力学模型. 利用基尔霍夫动力学比拟方法将柔索的变形转化为刚性截面沿中心线的转动,使包含刚性分体与变形体的刚柔耦合系统转化为由柔索的刚性截面与刚性分体组成的广义多刚体系统. 由于刚性截面的局部小变形沿弧坐标的积累不受限制,适合描述柔索的超大变形. 文中对此刚柔耦合多体系统导出其在地球引力场中的拘束函数,考虑各分体在空间中相对位置的几何约束条件,利用拉格朗日乘子构成以条件极值问题为特征的数学模型. 将高斯原理用于多体系统动力学的建模,其特点是以寻求函数极值的变分方法代替微分方程,通过数值计算直接得出运动规律. 其形式统一,不随系统拓扑结构的变化而改变,也无需区分树系统或非树系统.对于带控制的多体系统,动力学分析还可根据技术需要与系统的优化结合进行.      

基于高斯原理的非理想系统动力学建模

高斯原理给出了通过求函数极值、从可能运动中鉴别出真实运动的规则, 它可以使得多体系统动力学问题不需通过求解微分(代数)方程, 而是采用求解最小值的优化方法来解决, 从而提供了一种适用于优化算法的建模思路, 因此, 如何定义恰当的高斯拘束函数是动力学优化方法得以实现的前提. 对于理想系统而言, 约束对系统的作用可以通过约束方程来体现, 故高斯拘束可表达为系统质点加速度的函数, 系统的动力学问题因此可以描述为目标函数为高斯拘束函数、优化变量为质点加速度的约束最优化问题; 当系统中需要考虑干摩擦等非理想因素时, 部分相互作用不能被所定义的约束方程所涵盖而需要采用额外的物理规律来描述, 这种相互作用破坏了原有的针对理想系统的高斯拘束函数的极值特性. 基于变分类的高斯原理, 推导并证明了目标函数以理想约束力所表达的非理想系统的极值原理, 针对目前文献中用于非理想系统的高斯原理进行了讨论, 指出其实际为文中的极值原理在非理想约束力与理想约束力无明显关联时的一种特殊表达形式, 当非理想约束力与理想约束力有明显的函数关系(如库仑摩擦定律中滑动摩擦力与法向约束力间的线性关系)时, 该形式失效; 同时根据文中的极值原理, 得到了考虑库仑摩擦时非理想的多体系统动力学问题的优化模型. 例子中分析了优化模型及相应的线性互补性模型的关系, 分析发现在满足刚体滑动问题的唯一性条件下二者互为充分必要条件, 从而证明了文中优化模型的可靠性; 并采用优化计算方法进行了动力学模拟, 模拟结果显示了将高斯原理与优化算法相结合的可行性及有效性.      

DYNAMIC MODELING OF NONIDEAL SYSTEM BASED ON GAUSS'S PRINCIPLE$^{\bf 1)}$

高斯原理给出了通过求函数极值、从可能运动中鉴别出真实运动的规则, 它可以使得多体系统动力学问题不需通过求解微分(代数)方程, 而是采用求解最小值的优化方法来解决, 从而提供了一种适用于优化算法的建模思路, 因此, 如何定义恰当的高斯拘束函数是动力学优化方法得以实现的前提. 对于理想系统而言, 约束对系统的作用可以通过约束方程来体现, 故高斯拘束可表达为系统质点加速度的函数, 系统的动力学问题因此可以描述为目标函数为高斯拘束函数、优化变量为质点加速度的约束最优化问题; 当系统中需要考虑干摩擦等非理想因素时, 部分相互作用不能被所定义的约束方程所涵盖而需要采用额外的物理规律来描述, 这种相互作用破坏了原有的针对理想系统的高斯拘束函数的极值特性. 基于变分类的高斯原理, 推导并证明了目标函数以理想约束力所表达的非理想系统的极值原理, 针对目前文献中用于非理想系统的高斯原理进行了讨论, 指出其实际为文中的极值原理在非理想约束力与理想约束力无明显关联时的一种特殊表达形式, 当非理想约束力与理想约束力有明显的函数关系(如库仑摩擦定律中滑动摩擦力与法向约束力间的线性关系)时, 该形式失效; 同时根据文中的极值原理, 得到了考虑库仑摩擦时非理想的多体系统动力学问题的优化模型. 例子中分析了优化模型及相应的线性互补性模型的关系, 分析发现在满足刚体滑动问题的唯一性条件下二者互为充分必要条件, 从而证明了文中优化模型的可靠性; 并采用优化计算方法进行了动力学模拟, 模拟结果显示了将高斯原理与优化算法相结合的可行性及有效性.     

非连续变形计算力学模型的粘弹性分析方法Ⅰ:基本理论

基于粘弹性广义有限单元和接触力元，发展了适用于多体相互作用系统非连续变形分析的粘弹性数值分析方法，通过虚功原理，给出了其分区参变量最小势能原理，从而阐明了其理论基础。粘弹性广义有限单元的本构关系可由粘弹性退化为弹性或刚性，因此本文所提出的方法可对由刚体、弹性体和粘弹性体所构成的复杂多体系统在外荷载作用下的力学行为进行数值模拟，同时能够比本文精确地直接得到多体之间的接触应力。     

受圆柱面约束螺旋杆伸展为直杆的动力学分析

以大型空间结构的可伸展机械臂从折叠状态被释放的伸展过程为工程背景, 分析受圆柱面单面约束的弹性螺旋杆在惯性力作用下恢复为直杆的动力学过程. 对弹性杆空间大变形的分析不允许利用小变形假设进行简化. Kirchhoff动力学比拟理论是研究细长弹性杆超大变形的有效工具. 但由于圆柱面约束的存在, 不能直接利用无分布力的Kirchhoff 模型, 而必须在方程中增加分布的约束力. 以表述截面姿态的欧拉角为变量, 建立受圆柱面约束弹性杆的动力学方程. 在圆柱面约束条件下, 认为弹性杆在伸展过程中仍维持半径不变的螺旋线形态, 仅螺旋线倾角和杆的扭率随时间变化. 对简化后的非线性微分方程导出解析积分, 以描述伸展运动的动力学过程, 导出螺旋杆伸展速度的变化规律, 以及从初始状态伸展为直杆所需时间的简明的解析形式计算公式.      

Stability analysis of helical rod based on exact Cosserat model

Helical equilibrium of a thin elastic rod has practical backgrounds, such as DNA, fiber, sub-ocean cable, and oil-well drill string. Kirchhoff's kinetic analogy is an effective approach to the stability analysis of equilibrium of a thin elastic rod. The main hypotheses of Kirchhoff's theory without the extension of the centerline and the shear deformation of the cross section are not adoptable to real soft materials of biological fibers. In this paper, the dynamic equations of a rod with a circular cross section are established on the basis of the exact Cosserat model by considering the tension and the shear deformations. Euler's angles are applied as the attitude representation of the cross section. The deviation of the normal axis of the cross section from the tangent of the centerline is considered as the result of the shear deformation. Lyapunov's stability of the helical equilibrium is discussed in static category. Euler's critical values of axial force and torque are obtained. Lyapunov's and Euler's stability conditions in the space domain are the necessary conditions of Lyapunov's stability of the helical rod in the time domain.     

A REDUCED QUADRATIC PROGRAMMING METHOD FOR ELASTIC CONTACT PROBLEMS

基于势能原理以节点位移为设计变量、以接触条件为约束方程构建了无摩擦弹性接触问题的二次规划数学模型,在此基础之上利用力平衡线性约束方程的特解和由基础解向量构成的奇异模态矩阵,提出一种新的基于奇异坐标变换的自由度缩减方法,大大降低了二次规划的规模,并使得二次规划模型不再含显性等式约束;根据弹性接触力学体系的特点,通过人为假定接触自由度位移模式,提出了一种简单高效的奇异模态矩阵的计算方法。通过两圆柱接触、轴孔间隙配合接触两个数值算例的对比分析,验证了对于弹性接触问题的求解,缩减二次规划方法有效克服了传统方法计算量大、对求解参数设置敏感、收敛困难的问题。     

GAUSS PRINCIPLE OF LEAST CONSTRAINT IN GENERALIZED COORDINATES AND ITS GENERALIZATION

当采用广义坐标描述系统的运动时,相比质点形式的高斯最小拘束原理,通过广义坐标形式的高斯最小拘束原理来建立动力学优化模型,计算效率更高. 从高斯原理的变分形式出发推导了广义坐标形式的高斯最小拘束原理,并研究了非理想约束、单边约束及刚体碰撞情形下的高斯最小拘束原理的形式. 研究认为:对刚体碰撞情形下,高斯最小拘束原理不能取代碰撞恢复定律,碰撞恢复定律以碰撞后广义速度的约束方程形式起作用.     

新型锚管构架在边坡加固中的应用

针对边坡病害治理工程往往存在工期紧、施工场地受限等特点,研究了一种用于边坡加固的新型结构,即锚管构架。介绍了锚管构架的组成和特点,基于Winkler理论,建立了锚管构架的力学计算模型,并编制了弹性杆系有限元计算程序。将锚管构架应用于西气东输管道沿线某填土边坡的病害治理中,结果表明,按照Winkler理论建立的计算模型较好的反映了锚管构架实际的受力和变形形态,输气管道的安全运营得到了保障。     

基于质量守恒的缆索计算理论与找形解析算法

旨在解决既有缆索计算理论的基本假定不合理问题,基于质量守恒原则推导了精细化缆索计算理论;根据拉格朗日坐标建立了考虑缆索截面变形后受拉刚度变化的改进弹性悬链线计算理论。研究结果表明,精细化缆索计算理论与改进的分段悬链线计算理论具有等价性;自重下跨度为888 m的缆索找形计算案例中,精细化缆索计算理论与悬链线方程理论的缆力及高程差值分别为61.5 kN和-158.7 mm,与弹性悬链线理论计算差值对应分别为1.9 kN和0.5 mm;受外载下跨度为1038 m缆索找形计算案例中,推导的精细化缆索计算理论与悬链线方程理论缆力差值分别为77.8 kN,与弹性悬链线理论无应力长度计算差值控制为1.0 mm。精细化缆索单元计算理论及缆索找形算法可作为缆索承载结构体系一种完备的精细化计算理论与方法。     

A general method for impact dynamic analysis of a planar multi-body system with a rolling ball bearing joint

Impact affects the dynamic characteristics of mechanical multi-body systems and damages those rotating parts, such as the joint rolling element bearings, which are high-precision, defect intolerant components. Based on multi-body dynamic theory, Hertzian contact theory, and a continuous contact model, this study proposed a modelling method that can describe the dynamic behaviour of planar mechanical multi-body systems containing a rolling ball bearing joint under impact. In this method, the rigid bodies and bearing joint were connected according to their joint force constraints; the impact constraint between the multi-body system and the target rigid body was constructed using a continuous contact force model. Based on this method, the reflection relationship between the external impacts of the mechanical multi-body system and the variation law governing the dynamic load on the rolling bearing joint were revealed. Subsequently, an impact multi-body system, which was composed of a sliding–crank mechanism containing a rolling ball bearing joint and the target rigid body with an elastic support, was analysed to explore the dynamic response of such a complex discontinuous dynamic system andthe relevant relationship governing the dynamic load on the rolling bearing joint. In addition, a multi-body dynamic simulation software was used to build a virtual prototype of the impact slider–crank system. Compared with the theoretical model, the prototype had an additional deep groove ball bearing. That is to say, the prototype model took account of the specific geometric structural characteristics and the complex contact relationship of the inner and outer races, rolling balls, and bearing cage. Finally, the effectiveness of the theoretical method proposed in this study was verified by comparative analysis of the results. The results suggested that the external impact of a mechanical multi-body system was prone to induce sudden changes in the equivalent reaction force on its bearing joint and the dynamic load carried on its rolling balls. This study provided an effective method for exploring the distribution characteristics of dynamic loads on rolling ball bearing joints under working impact load conditions. Moreover, it offered support for the parameter optimisation of geometric structure, performance evaluation, and dynamic design of the rolling ball bearings.     

接触碰撞动力学的多变量选取方法

在柔性多体的接触碰撞动力学问题中,多变量方法基于附加约束的接触模型,将柔性体的变形用不同变量来描述：接触局部区域的变形用有限元节点坐标描述,非接触局部区域的变形用模态坐标描述,兼顾了计算精度和效率. 将该方法推广到三维空间碰撞问题,对两柔性杆纵向碰撞过程进行动力学仿真,数值结果与实验结果吻合良好,验证了该方法的有效性. 针对柔性体各自区域的变量如何选取的问题,研究了节点取法、模态阶数以及材料参数对计算结果精度的影响,寻找到合理的多变量选取方法,保证精度的同时使自由度得到最大程度的缩减.     

THE PARAMETRIC VARATIONAL PRINCIPLE AND NON-LINEAR FINITE ELEMENT METHOD FOR ANALYSIS OF ASTROMESH ANTENNA STRUCTURES

针对大型周边桁架式索网天线由拉索拉压模量不同引起的本构非线性和结构大变形引起的几何非线性问题,给出了基于参变量变分原理的几何非线性有限元方法. 首先针对含预应力索单元拉压模量不同分段描述的本构关系,通过引入参变量,导出了基于参变量及其互补方程的统一描述形式,避免了传统算法需要根据当前变形对索单元张紧/松弛状态的预测,提高了算法收敛性. 然后利用拉格朗日应变描述索网天线结构大变形问题,结合几何非线性有限元法,建立了基于参变量的非线性平衡方程和线性互补方程;并给出了牛顿-拉斐逊迭代法与莱姆算法相结合的求解算法. 数值算例验证了本文提出的算法比传统算法具有更稳定的收敛性和更高的求解精度,特别适合于大型索网天线结构的高精度变形分析和预测.     

Analytic Solution of the Problem of Additive Formation of an Inhomogeneous Elastic Spherical Body in an Arbitrary Nonstationary Central Force Field

We study the processes of additive formation of spherically shaped rigid bodies due to the uniform accretion of additional matter to their surface in an arbitrary centrally symmetric force field. A special case of such a field can be the gravitational or electrostatic force field. We consider the elastic deformation of the formed body. The body is assumed to be isotropic with elasticmoduli arbitrarily varying along the radial coordinate.We assume that arbitrary initial circular stresses can arise in the additional material added to the body in the process of its formation. In the framework of linear mechanics of growing bodies, the mathematical model of the processes under study is constructed in the quasistatic approximation. The boundary value problems describing the development of stress–strain state of the object under study before the beginning of the process and during the entire process of its formation are posed. The closed analytic solutions of the posed problems are constructed by quadratures for some general types of material inhomogeneity. Important typical characteristics of the mechanical behavior of spherical bodies additively formed in the central force field are revealed. These characteristics substantially distinguish such bodies from the already completely composed bodies similar in dimensions and properties which are placed in the force field and are described by problems of mechanics of deformable solids in the classical statement disregarding the mechanical aspects of additive processes.     

优化形式的刚体系统动力学模拟

基于广义坐标形式的高斯最小拘束原理来研究刚体系统的动力学问题的优化方法. 相比目前动力学建模普遍采用的质点形式的高斯最小拘束原理,广义坐标形式的高斯最小拘束原理因对所选择的广义坐标没有要求,而使得建模过程更简单及具有更强的通用性. 本文分别建立了有约束和无约束条件下问题的优化动力学模型,对问题进行了动力学数值模拟,并与用拉格朗日微分方程处理的模型进行了对比分析,从而验证了所提方法的有效性.     

基于欧拉描述的两节点索单元非线性有限元法

本文针对柔性悬索结构几何非线性分析的特点,提出了一种用欧拉描述来表示的两节点索单元非线性有限元模型,在索元变形后的位置上由虚功能建立了非线有限元基本方程及切线刚度矩阵。这样建立的非线性有限元分析方法可充分考虑拉索的几何非线性特性的影响并给悬索结构的初始平衡分析带来方便,算例结果表明,本文方法是精确有效的。     

多体系统接触碰撞问题的牛顿-欧拉线性互补方法

基于非光滑动力学方法的多体系统接触碰撞分析是目前多体系统动力学的研究热点.本文采用牛顿-欧拉方法建立多体系统接触、碰撞问题的动力学模型,给出一种牛顿-欧拉型线性互补公式.该建模方法与目前一般采用的拉格朗日建模方法的不同之处是约束条件中除了库仑摩擦、单边约束之外还含有光滑等式约束.在建立系统动力学模型时,首先解除摩擦约束和单边约束得到原系统对应的基本系统.牛顿-欧拉方法采用最大数目坐标建立基本系统的动力学方程,由于坐标不相互独立,因此基本系统中带有等式约束,其数学模型为一组微分代数方程.借助约束雅可比矩阵,在基本系统微分代数方程中添加摩擦接触和单边约束对应的拉氏乘子,就可以得到系统全局运动的具有变拓扑结构特征的动力学方程,再结合非光滑约束互补条件便可构成完备的系统动力学模型.完备的动力学模型由动力学微分方程以及等式约束和不等式约束组成.线性互补公式采用分块矩阵形式进行推导,简化了推导过程.数值计算采用基于线性互补的时间步进算法.时间步进算法是目前流行的非光滑数值算法,其突出特点是可以免去数值积分中繁琐的事件检测过程,而数值积分过程中通过对线性互补问题的求解可以确定系统的触-离状态.通过对典型的曲柄滑块间隙机构进行数值分析,验证本文方法的有效性.     

铁磁矩形简支板的磁弹塑性弯曲行为分析

基于广义变分原理得到的磁力计算公式,采用塑性增量理论,Mises屈服准则和有效的增量有限元计算方法,研究了线性强化材料铁磁矩形板的磁弹塑性弯曲行为。在文中定量模拟了铁磁简支矩形板在外加磁场作用下的挠度特征曲线,铁磁板发生塑性变形时的构型图和不同外加磁场下的中截面构型,以及铁磁板在卸载后的残余挠度特征曲线等力学特征,分析了塑性区域随磁场增加而扩展的情况。数值结果表明:当铁磁矩形板上的部分区域发生塑性屈服后,其变形明显大于相同磁场条件下铁磁板发生的弹性变形值;且随着外加磁场倾角的增大(0°<α≤45°),铁磁板进入塑性屈服状态的临界屈服磁场值减小;铁磁板的中截面构形为双半波型,其塑性区域由铁磁板两侧挠度最大的区域向板的中心区域扩展,板的中心最后进入塑性区域等。     

多体系统动力学中关节效应模型的研究进展

在一般的多体系统动力学研究中认为运动关节是理想运动副. 然而,实际中的运动关节不仅含有间隙与摩擦,还有间隙引起的关节元素之间的接触碰撞、局部变形和磨损. 多体系统动力学中的关节效应不仅引起了系统的振动和噪声,减小了系统的可靠性和寿命,而且损失了系统的精度和稳定性. 为此,对近十几年多体系统动力学中关节效应的研究进行了详细分析,总结了关节效应中间隙运动学模型、接触力模型与磨损模型在多体系统动力学中的建模过程. 其中,着重分析了多体系统动力学中关节磨损效应的研究进展,并对常用的Reye'shypothesis 和Archard 磨损模型进行了比较,详细地分析了Archard 磨损模型的演变形式以及主要磨损参数(接触应力,接触面积和滑移距离),特别分析了关键磨损参数接触应力的建模方法,解释了基于Winkler 弹性基础理论在求解接触应力时遇到的困难. 另外,介绍了4 种间隙运动副(转动副、移动副、圆柱副和球面副) 的运动学模型. 分析了考虑关节磨损多体系统动力学模型的一般建模方法,并以平面五杆机构为例说明了其建模过程.最后,简要地展望了多体系统动力学中关节效应模型的发展趋势以及应用前景.      

含摩擦与碰撞平面多刚体系统动力学线性互补算法

基于接触力学理论和线性互补问题的算法, 给出了一种含接触、碰撞以及库伦干摩擦, 同时具有理想定常约束(铰链约束) 和非定常约束(驱动约束) 的平面多刚体系统动力学的建模与数值计算方法. 将系统中的每个物体视为刚体, 但考虑物体接触点的局部变形, 将物体间的法向接触力表示成嵌入量与嵌入速度的非线性函数,其切向摩擦力采用库伦干摩擦模型. 利用摩擦余量和接触点的切向加速度等概念, 给出了摩擦定律的互补关系式; 并利用事件驱动法, 将接触点的黏滞-滑移状态切换的判断及黏滞状态下摩擦力的计算问题转化成线性互补问题的求解. 利用第一类拉格朗日方程和鲍姆加藤约束稳定化方法建立了系统的动力学方程, 由此可降低约束的漂移, 并可求解该系统的运动、法向接触力和切向摩擦力, 还可以求解理想铰链约束力和驱动约束力. 最后以一个类似夯机的平面多刚体系统为例, 分析了其动力学特性, 并说明了相关算法的有效性.