基于ANCF的柔索动力学建模与自适应计算研究.pdf

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1、博士学位论文基于ANCF的柔索动力学建模与自适应计算研究RESEARCHONDYNAMICMODELINGANDADAPTIVECOMPUTATIONOFFLEXIBLECABLEBASEDONANCF张越哈尔滨工业大学2018年3月国内图书分类号：O313.7,V412学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工学博士学位论文基于ANCF的柔索动力学建模与自适应计算研究博士研究生：张越导师：赵阳教授申请学位：工学博士学科：航空宇航科学与技术所在单位：航天学院答辩日期：2018年3月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedI

2、ndex:O313.7,V412U.D.C:621DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONDYNAMICMODELINGANDADAPTIVECOMPUTATIONOFFLEXIBLECABLEBASEDONANCFCandidate：ZhangYueSupervisor：Prof.ZhaoYangAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：AreospaceScienceandTechnologyAffil

3、iation：Dept.ofAstronauticEngineeringDateofDefence：March,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要柔索在空间中有着广泛的应用，具有重量轻、阻尼小等特征，容易受到外界环境的扰动而产生振动，其动力学特性对空间任务安全有效的执行有着重要影响，因此对柔索高效高精度动力学建模与计算提出了迫切需求。相比有限段、集中质量等传统离散化建模方法，绝对节点坐标方法（ANCF）在处理柔索大变形问题时具有较大优势，但现有绝对

4、节点坐标柔索单元存在应变耦合问题，且没有充分考虑柔索内部的非线性力学特性，另外，柔索模型精度除了与单元自身精度有关，还与单元的分布情况有关，单元划分不合理不仅会影响计算精度，还会造成计算效率的损失。针对上述问题，本文基于绝对节点坐标方法开展柔索动力学建模与自适应计算研究，以提高柔索动力学计算精度和效率。基于连续介质力学理论，推导了三维二节点ANCF柔索单元模型，给出了柔索单元质量矩阵、刚度矩阵、阻尼矩阵、广义力及其雅克比矩阵的具体表达式，在此基础上建立柔索系统动力学方程，给出数值求解算法，并对模型进行仿真验证，为柔索静力学和动力学分析奠定理论

5、基础。对ANCF柔索单元的应变进行分析，发现由于轴向应变和弯曲应变存在相同的依赖项，单元应变存在相互耦合的问题，导致单元刚度大于理论值，从而影响模型精确性。为此，构造了等效一维杆单元，利用该单元重新定义了轴向应变，实现了轴向应变与弯曲应变解耦，在此基础上推导单元广义粘弹性力及其雅克比矩阵，得到了ANCF柔索应变解耦模型。相比原耦合模型，解耦模型具有收敛快、应变连续性好、精度高等优点，能够避免单元刚化引起的高频速度振动。传统ANCF柔索模型将柔索考虑为均匀且各向同性的连续介质，没有考虑柔索内部复杂的非线性力学特性。对纤维绳索进行力学特性分析，可

6、知纤维绳索具有不可抗压和松弛特性，拉伸应力-应变关系为非线性，由此建立了纤维绳索松弛模型。相比传统模型，松弛模型能够更好地反映纤维绳索的静力学和动力学特性。对捻制钢丝绳进行力学特性分析，可知捻制绳索运动和变形过程中，内部绳丝间存在相对滑动并伴随复杂的接触摩擦作用。考虑捻绳的实际几何结构，分析绳丝间相对滑动及静动摩擦力，得到了常值的轴向刚度和可变的弯曲刚度计算公式，由此建立了ANCF捻制绳索模型。通过与精细模型对比，验证了捻绳模型的正确性。相比传统模型，捻绳模型具有更高的精度。另外，捻绳模型无需对每根绳丝进行建模，且无需在仿真过程中计算接触力和

7、摩擦-I-哈尔滨工业大学博士学位论文力，相比精细模型具有更高的计算效率。为了进一步提高柔索动力学计算精度和效率，本文还提出了一种自适应ANCF(AANCF,AdaptiveANCF)方法，通过自适应地更新单元分布或类型来提高计算精度和效率。给出AANCF计算策略，对误差估计、单元更新及仿真结果评估等关键问题进行讨论，分析并比较了AANCF方法与自适应有限元方法的不同。给出AANCF柔索计算模型，对单元运动学描述误差进行分析，给出了合并和拆分单元的判别条件、方法和流程，数值仿真说明AANCF柔索计算模型能够在合适的时间和区域改变柔索单元分布，在

8、保证精度的同时提高了柔索动力学计算效率，但能量存在跳变。为此，通过理论推导分析了单元更新前后运动状态的连续性，得知影响连续性的关键因素是合并单元时所删除节点位移和梯