基于绝对节点坐标方法描述的薄膜空间结构接触/碰撞动力学研究

发布时间：2021-05-25 19:52

　　薄膜结构由于质量轻、展开面积/质量比大等优点被广泛地应用于大型可展开空间结构,例如充气薄膜结构、自旋展开薄膜太阳帆等。随着空间结构的展开,薄膜结构将经历大范围刚体转动与大弹性变形的刚柔耦合运动,并且其展开过程还会涉及薄膜间复杂的接触/碰撞问题。因此,迫切需要提出一种能够精确、高效处理多柔体系统中薄膜结构接触/碰撞的方法。研究表明,绝对节点坐标方法（ANCF）能够精确的描述柔性构件大转动、大变形的动力学特性。在前人的研究中,采用绝对节点坐标方法对柔性构件进行建模,通过Lagrange乘子将约束方程引入系统动力学方程,并采用隐式解法进行求解,即可对多柔体系统的动力学特性进行分析。但如何在多柔体系统中处理薄膜构件的接触/碰撞仍是一个开放性的问题。据此,本文的研究内容如下:1.本文首先阐述了在非线性有限元中接触/碰撞问题的一般描述及有限元离散方法。采用罚函数法处理接触约束条件,从而避免这些约束出现在动力学方程中。基于结对节点坐标方法（ANCF）,建立了能够保证系统能量恢复、动量守恒的算法,推导了该算法中接触力和弹性力的计算公式,并通过数学证明和数值实验验证了该算法的有效性和正确性。2.针对多柔... 

【文章来源】：北京理工大学北京市 211工程院校 985工程院校

【文章页数】：77 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 课题来源及研究背景
        1.1.1 课题来源
        1.1.2 研究背景
        1.1.3 接触问题有限元解法研究概况
        1.1.4 接触检测算法研究概况
        1.1.5 基于ANCF的多柔体系统动力学研究概况
    1.2 本文研究内容与组织架构
        1.2.1 研究内容
        1.2.2 本文结构
    1.3 本章小结
第2章 接触问题的一般描述及有限元离散
    2.1 接触问题的一般描述
    2.2 能量、动量、角动量守恒定律
    2.3 接触问题的有限元离散
        2.3.1 ANCF全参数梁单元
        2.3.2 ANCF薄膜单元
        2.3.3 接触“单元”
    2.4 本章小结
第3章 接触/碰撞动力学守恒算法
    3.1 基于Newmark方法的接触 /碰撞动力学守恒算法
    3.2 中点近似法则
    3.3 接触力的计算
        3.3.1 接触力的守恒性质
        3.3.2 耗散能量的法向接触力算法
        3.3.3 接触力Jacobi矩阵的求解
    3.4 单元弹性力的计算
        3.4.1 ANCF矩形梁单元弹性力的计算
        3.4.2 ANCF矩形薄膜单元弹性力的计算
    3.5 数值算例
        3.5.1 杆与刚性墙的碰撞
        3.5.2 柔性圆桶间的碰撞
    3.6 本章小结
第4章 柔性体接触检测算法
    4.1 全局检测：层次包围盒技术
        4.1.1 包围盒的构造
        4.1.2 层次包围盒树构造策略
        4.1.3 树形结构的查找
        4.1.4 层次包围盒树的更新
        4.1.5 全局检测基本策略
    4.2 局部检测：确定精确的接触信息
    4.3 接触检测的并行计算
    4.4 本章小结
第5章 大变形薄膜结构接触动力学分析
    5.1 柔性纽带缠绕动力学模拟
    5.2 螺旋卷曲充气圆管展开动力学模拟
    5.3 圆形薄膜太阳翼展开动力学模拟
        5.3.1 机构简介
        5.3.2 仿真结果
    5.4 本章小结
第6章 结论与展望
    6.1 研究结论
    6.2 研究展望
参考文献
攻读学位期间发表论文
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]机械系统接触碰撞界面显式计算的算法综述[J]. 钟阳,钟志华,李光耀,孙光永,徐峰祥.  机械工程学报. 2011(13)
[2]基于绝对节点坐标的多柔体系统动力学高效计算方法[J]. 刘铖,田强,胡海岩.  力学学报. 2010(06)
[3]多体系统动力学Lagrange方法的进展[J]. 王琪,陆启韶,黄克累.  力学与实践. 1997(03)

博士论文
[1]柔性结构的自旋动力学分析[D]. 赵将.南京航空航天大学 2013
[2]基于绝对节点坐标方法的柔性多体系统动力学研究与应用[D]. 田强.华中科技大学 2009



本文编号：3205914