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大变形柔性多体系统建模理论与实验研究

作　者: 蒋依宁
导　师: 刘锦阳
学　校: 上海交通大学
专　业: 一般力学与力学基础
关键词: 刚-柔耦合动力学柔性多体系统大变形剪切锁定实验
分类号: TB122
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

目前,多刚体系统动力学理论己经相当成熟与完善。随着高科技的发展,柔性航天器、柔性细长机械臂、列车电力牵引线系统等众多现代高速、轻质柔性多体系统被应用到各个领域。机械系统在作大范围刚性运动的过程中,由于弹性变形较大,弹性变形对系统的动力学特性的影响显著。研究表明基于小变形、小转动假设的传统柔性多体系统建模方法不能满足工程中柔性多体系统动力学数值仿真的精度。本文在前人研究的基础上采用绝对节点坐标方法研究大变形柔性多体系统动力学理论,并通过大变形刚-柔耦合动力学实验验证建模理论的正确性。研究工作包括以下几个方面:第一章为绪论。本章介绍了柔性多体系统动力学的工程背景、研究意义,综述了多体系统动力学理论分析和实验研究发展现状,提出了本文的研究任务。第二章研究大变形平面梁多体系统的建模理论和实验测试技术。建立转台和大变形梁系统符合实际情况的刚-柔耦合动力学方程,并对气浮台和梁组成的刚-柔耦合系统进行了仿真计算与实验研究,分析几何非线性模型在大变形情况下的适用性。在此基础上将建模理论推广到转台和多个梁组成的多体系统,并设计了柔性多体系统的刚-柔耦合实验,通过理论和实验结果的数值对比验证了几何非线性动力学模型的正确性。随后在弹性平面直梁的几何非线性动力学模型的基础上引入弧线坐标,采用曲梁单元,从非线性应变关系式出发,用绝对节点坐标法建立了大变形曲梁多体系统的动力学模型,并通过计算比较验证了曲梁单元动力学模型的准确性和有效性。第三章基于绝对节点坐标法建立了柔性空间梁的精确的几何非线性动力学模型。并为了便于计算,避免梁的某些剪切小量影响计算收敛,基于梁的单元节点切线方向与横截面的法线方向重合的假设,将节点广义坐标数从六个减少为四个,简化了柔性空间梁的动力学模型,从而在一定范围内解决了绝对节点坐标法存在的剪切锁定问题。并且通过仿真计算比较了两种方法在不同物理参数下的计算结果,讨论了简化模型在各类情况下的适用性。还建立了基于上述两种模型的气浮台和大变形空间梁系统符合实际情况的刚-柔耦合动力学方程。第四章对转台-空间梁多体系统的刚-柔耦合测试技术进行研究。首先建立了考虑结构阻尼的转台和大变形柔性空间梁的动力学模型。在小变形情况下,将柔性空间梁系统的动力学计算结果与Ansys计算值进行比较分析,验证了该模型的正确性。在大变形情况下,设计气浮台和柔性空间梁系统的刚-柔耦合动力学实验平台,通过对细长梁的刚-柔耦合实验验证了本文的几何非线性空间梁动力学模型在大变形情况下的适用性。第五章对全文总结进行总结,并提出了对未来研究工作的展望。

全文目录

中文摘要  4-6
英文摘要  6-11
第一章绪论  11-19
  1.1 本文研究的工程背景和意义  11-12
  1.2 柔性多体系统动力学研究现状  12-15
  1.3 大变形柔性梁系统动力学的若干问题  15-17
  1.4 本文的研究任务  17-19
第二章大变形平面梁多体系统的动力学建模和实验验证  19-52
  2.1 引言  19-20
  2.2 大变形平面直梁多体系统的动力学建模  20-23
  2.3 平面直梁多体系统模型在平面折梁运动仿真中的应用  23-29
    2.3.1 平面折梁的动力学方程  23-25
    2.3.2 平面折梁的仿真计算  25-26
    2.3.3 计算结果比较  26-29
  2.4 气浮台-平面梁的刚-柔耦合动力学实验  29-40
    2.4.1 气浮台-平面梁系统的动力学方程  29-31
    2.4.2 气浮台-平面梁系统的刚柔耦合实验平台  31-40
  2.5 大变形平面曲梁多体系统的动力学建模  40-46
    2.5.1 柔性曲梁的非线性动力学建模  40-43
    2.5.2 曲梁单摆的仿真结果比较  43-46
  2.6 四连杆机构仿真计算  46-50
  2.7 本章小结  50-52
第三章大变形柔性空间梁多体系统的动力学建模  52-72
  3.1 引言  52-53
  3.2 柔性空间梁的动力学建模  53-60
    3.2.1 精确柔性空间梁动力学变分方程  53-57
    3.2.2 柔性简化空间梁模型动力学变分方程  57-60
  3.3 转台-柔性空间梁系统的动力学方程  60-63
  3.4 转台-柔性空间梁系统的动力学仿真  63-71
  3.5 本章小结  71-72
第四章大变形柔性空间梁多体系统刚-柔耦合实验研究  72-87
  4.1 引言  72-73
  4.2 大变形空间梁多体系统的动力学仿真  73-77
  4.3 气浮台-空间梁的刚-柔耦合动力学实验  77-86
    4.3.1 气浮台-空间梁系统动力学实验平台  77-78
    4.3.2 气浮台-空间梁系统动力学实验设备简介  78-79
    4.3.3 单轴气浮台转动惯量的测量  79-81
    4.3.4 仿真计算与气浮台-空间梁系统刚-柔耦合实验  81-86
  4.4 本章小结  86-87
第五章全文总结  87-89
  5.1 主要结论  87
  5.2 主要创新点  87-88
  5.3 研究展望  88-89
参考文献  89-93
致谢  93-95

大变形柔性多体系统建模理论与实验研究

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