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柔性多体系统接触/碰撞问题的多变量方法

作 者: 韩石磊
导 师: 洪嘉振
学 校: 上海交通大学
专 业: 一般力学与力学基础
关键词: 多体系统 接触 碰撞 多变量方法
分类号: N941.3
类 型: 硕士论文
年 份: 2011年
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内容摘要


工程中的一大类问题可以归结为含接触/碰撞多体系统动力学问题。毋庸置疑,采用高效高精度的方法对多体系统接触/碰撞过程进行准确的动力学仿真是极其重要的。在总结多体系统领域和有限元领域处理接触/碰撞问题的现有方法的基础之上,本文指出:柔性多体系统接触/碰撞动力学中的核心问题为如何兼顾计算效率与计算精度。针对该问题,本文应用了分区方法的思想,在部分刚体/部分柔性体方法的基础上,考虑了非接触局部区域的变形,提出了多体接触/碰撞问题的多变量方法(Multi-variable method,MVM)。多变量方法对非接触局部区域用浮动参考系方法求解,对发生接触局部区域用非线性有限元方法求解。浮动参考系法以浮动基位形坐标和柔性体相对浮动基的变形模态坐标为变量,有效地减缩了变量维数。有限元方法以节点的绝对位置坐标为变量,可以得到接触局部区域高精度的应力、应变响应,而且可以反映该区域的大变形、塑性等非线性响应。多变量方法兼顾了多体系统长期动力学仿真对效率的要求和有限元方法对接触/碰撞局部区域精度的要求。该方法即能体现碰撞对系统大范围运动和长期动力学仿真的影响,又能精确反映出接触/碰撞局部区域的应力、应变响应,而且能表现出接触/碰撞过程中物体接触区域的演化历程。本文推导了多体系统接触/碰撞问题的多变量方法的动力学方程,得到了适用于不同情况的三种形式的动力学方程:Lagrange乘子形式、速度接触约束形式与切向互补形式的动力学方程。对于柔性体仅发生小变形的情况,研究了内力阵的简化方法。进一步地,本文研究了多变量方法的显式求解方法和隐式求解方法。对于多变量隐式方法,推导了方程右端项对方程变量的Jaccobi阵。对若干算例,通过多变量方法数值计算结果与实验测量结果及Ls-dyna、Adams的计算结果作比较,验证了多变量显式算法和隐式算法的正确性。在此基础上,研究并总结了多变量显式方法和隐式方法的优缺点,综合显式法和隐式法,集成各自的优点,对多体系统碰撞问题进行全局仿真。最后,本文指出了基于模态坐标形式的多变量方法的局限性,将多变量方法推广到大变形转动的梁、壳接触问题,提出了进一步研究的方向。

全文目录


摘要  5-7
Abstract  7-15
第一章 引言  15-27
  1.1 问题陈述  15-16
  1.2 文献回顾  16-24
    1.2.1 接触区域的处理  16-18
    1.2.2 接触作用的力学模型  18-21
    1.2.3 柔性体的运动学描述  21-22
    1.2.4 约束问题的数值方法  22-23
    1.2.5 切向接触的处理  23-24
  1.3 目前存在的主要问题  24
  1.4 本文的主要思想  24-25
  1.5 本文的内容组织  25-27
第二章 多变量方法的动力学方程  27-40
  2.1 引言  27
  2.2 单个柔性体的多变量方法  27-30
  2.3 小变形时内力阵的简化  30-31
  2.4 铰约束和接触约束  31-36
    2.4.1 铰约束  31-32
    2.4.2 接触约束  32-36
  2.5 多体系统接触/碰撞问题的多变量方法  36-38
  2.6 多变量方法的推广  38-39
  2.7 本章总结  39-40
第三章 多变量方法的显式解法  40-55
  3.1 引言  40
  3.2 非接触区域动力学方程的显式解法  40-42
  3.3 接触区域动力学方程的显式解法  42-43
  3.4 多变量显式解法的计算流程图  43-45
  3.5 显式方法算例  45-54
    3.5.1 两柔性杆正碰撞问题  45-48
    3.5.2 平面斜碰撞问题  48-49
    3.5.3 圆盘撞击粱  49-52
    3.5.4 平面双摆与圆盘的碰撞  52-54
  3.6 本章总结  54-55
第四章 多变量方法的隐式解法  55-75
  4.1 引言  55
  4.2 隐式多变量方法的要点与流程图  55-60
  4.3 内力阵的Jaccobi阵Z115 与Z511 的推导  60-63
  4.4 隐式方法算例  63-74
    4.4.1 铅垂面内双摆未接触过程  63-64
    4.4.2 铅垂面内双摆撞击刚性面  64-69
    4.4.3 双摆撞击刚性面问题的全局仿真  69-74
  4.5 本章总结  74-75
第五章 总结  75-78
  5.1 多变量方法总结  75-76
  5.2 已完成的问题和未完成的问题  76-78
参考文献  78-87
发表文章目录  87-88
简历  88-89
致谢  89

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中图分类: > 自然科学总论 > 系统科学 > 系统学、现代系统理论 > 系统动力学
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