柔性曲梁多体系统的研究现状和展望.pdfVIP

第 41卷 第6期 力 学 进 展 VOl1．41 NO．6 2011年 11月 25日 ADVANCESIN MECHANICS Nov．25． 2011 柔性 曲梁多体系统的研究现状和展望木 潘科琪 刘锦阳 上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240 摘 要 本文对近几年来柔性多体系统建模理论的研 究进展进行了评述，详细阐述了曲梁结构多体系统动力 学研究的理论背景和工程意义．结合连续介质力学和多体系统动力学理论，介绍了平面 曲梁、空间曲梁应变位 移场的描述以及几何非线性问题研究现状．通过国内外文献及 已有的研究，综述了现有曲梁的离散化方法，以 及这些方法对于定曲率、变 曲率 曲梁的适用性．然后，总结了曲梁刚柔耦合动力学建模和数值计算中的难点问 题，介绍了平面 曲梁、空间曲梁实验研究的现状．最后，综合全文，提出了目前研究存在 的难点问题，以及计划 解决这些难点问题的方法． 关键词 柔性多体系统，曲梁，离散化方法，实验研究 1 引 言 广义外力阵都呈现高度非线性，但是在小变形情 况下，刚度阵为常值阵，计算效率较高，因此，混合 柔性多体系统动力学主要应用于航空航天、 坐标法广泛应用于小变形情况下多体系统的动力 建筑、桥梁等复杂机械系统的动力学分析．涉及 的 学分析． 主要问题有：在建模方法中除了考虑各构件的大 由于新材料和新技术在工程中的应用以及受 范围运动和构件之间的约束关系外，还要描述运 多场耦合的环境因素影响，运动机构的柔性变形 动构件的变形：物体变形和大范围运动相互耦合、 愈加 明显，有外载荷施加时，柔性体 出现的大变形 物体间铰约束的相互影响以及拓扑变化过程使得 现象体现出几何非线性行为，例如，国际空间站上 动力学方程高度非线性，面临求解代数方程与微 数十米长的机械臂、大面积太阳能帆板、桥梁、电 分方程的数学问题 [1]．给计算方法以及计算精度 缆、运动皮带等细长结构的大变形问题，使得一般 都提出了挑战．此外，为了检验理论分析结果的正 形状柔性体的大变形问题研究成为必然．基于有 确性和有效性，有必要开展相应的实验研究，实验 限元技术，尤超蓝 [7]在浮动坐标系上使用共旋坐 方案的提出具有重要性，也是研究工作的难点．目 标系建模，适用于大变形多体系统的动力学分析． 前国内外学者关于柔性体建模方法，主要分为 以 现有的关于大变形问题的建模方法，主要是 Sha- 下几种：混合坐标法、增量有限元法、大转动矢量 bana于 1996年提出的绝对节点坐标法 8[】．其理论 法和绝对节点坐标法，其中，混合坐标法和绝对节 基础主要是有限元与连续介质力学理论 [9-10]．该 点坐标法应用最为广泛． 方法中单元节点的坐标定义在全局坐标系下，采 混合坐标法是 目前应用最广泛 的、 最成熟 用斜率矢量代替传统有限元方法中的节点转角坐 的柔性多体系统建模方法，国内外学者对作旋转 标 [11]．绝对节点坐标法建立的多体系统动力学方 运动柔性直梁 的几何非线性建模方法进行 了研 程具有常值的质量阵和广义外力阵，科 氏力和离 究，提出了解决动力刚化 问题的方法，包括子结构 心力为零，弹性力是唯一的非线性项的特点．这些 法 [。]、初应力法 [0]和一次近似方法 4【—61．虽然混 特点使绝对节点坐标方法构建的动力学模型比传 合坐标法得到的质量阵、离心力阵、科 氏力阵和 统的混合坐标法、大转动矢