细长柔性体动力学仿真

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1、LHD2012年度夏季学术研讨会细长柔性体动力学仿真彭世镠，郭宗凯中国科学院力学研究所，高温气体动力学国家重点实验室（筹），北京海淀区100190摘要本文研究了柔性细长体运动的动力学模型。细长柔性体在科学研究、工程和国防领域等都有广泛的应用，由于系统的复杂性，细长柔性体的运动稳定性、操纵性、安全性和和控制特性在使用之前都不容易进行完全的评估。本文建立了细长柔性体动力学模型，基于该模型建立了三维的计算仿真软件，并通过与实测数据的对比，检验了数值仿真结果。关键词细长体，细长柔性体运动，动力学模型，数值模拟线性的,要从理论上描述其水动力特性仍有相引言当难度。目前描述

2、细长柔性体的理论模型大致细长柔性体的运动、空间姿态和定位是工可以分为四种类型：解析解方法、有限元法、程安全、海洋监测数据质量控制和工程作业效集中质量法和有限差分法。解析解和有限元方率的关键所在，细长柔性体在科学研究、工程法大多应用于静力分析，不适合作为非定常状和国防领域等有广泛的应用，尤其广泛应用于态下细长柔性体运动的动力性能分析的有效手海洋研究、海洋监测与军事领域，如图1所示。段。目前细长柔性体的动力研究中应用最广的细长柔性体通常由细长缆索和系挂于缆上的装方法是集中质量法和有限差分法。但是，有限置组成。根据不同的用途，系挂物可以搭载温、差分法无法模拟缆索中存

3、在零张力的状态，使盐、压力、营养盐盐及声纳等各种海洋化学元得它的应用都受到限制。素探测传感器或声、光等物理探测传感器。建在集中质量法中,缆索由一系列的直线单立严格的理论模型对细长柔性体进行系统完整元代表,作用在缆索单元上所有的分布力(流的理论分析、数值仿真模拟并以此为基础进行体阻尼力、惯性力、重力、浮力等)被认为集中实验室模型试验和海上现场样机试验是开发研作用在其计算节点上。在这种方法中细长体模制出成功的拖曳系统的必要条件和前提。型被认为是由一系列无质量线弹性单元连接节点上集中质量而构成。针对细长柔性体的运动，本文根据集中质量法建立了一套动力学模型，在有系挂物

4、时，系挂物也作为一个独立单元与缆索单元衔接。数值模拟结果表明，依据本文所建模型的仿真结果与实测结果基本一致。1动力学模型1.1缆索模型图1细长柔性体应用示意图可以将细长柔性体从一个端头开始到另一个端头离散为N段,即N+1个节点,假设所在目前的细长柔性体动力学模型中,其拖有力都作用在这N+1个节点上,节点间的缆曳缆绳索的运动方程一般都忽略缆索中的剪索段为无质量化的索元。对系统上的第i个节力、扭转和弯曲而只考虑其承受张力。即使如点应用牛顿第二定律则得系统的控制方程:此，由于缆索的材料特性、水动力载荷都是非280彭世鏐等：细长柔性体动力学仿真Ti1/22数值仿

5、真和结果分析MxFABGFFiiiiiDiwiTi1/22.1潜标系统水下姿态的数值仿真其中，为了有效监测浅海域下温度、电导率、深sincossincosii1/21/2ii1/21/2度、海流等海洋环境要素，对各测量仪器所处Acoscoscoscos，ii1/21/2ii1/21/2的测层都会有一定要求，潜标的设计首先要满sinsinii1/21/2足典型流速剖面条件下的整个系统姿态要求。Mi为质量矩阵，T为节点i两侧索元内的缆索利用上述模型建立的水动力仿真软件对潜

6、标姿张力，B为作用在i点上的缆索浮力,G为作用态变化进行了数值仿真。在节点i上的缆索重力,FDi为作用在节点i图2为某潜标上两个位置的深度随时间的上的流体阻力,Fwi为作用在节i点上的波浪变化，布放期长达4个月。横坐标为时间（天），干扰力,θ和φ角为缆索段的姿态角。纵坐标为深度（米）。从图中可以看出，模拟结果与实际测量结果基本相符。1.2缆索张力April缆索张力根据缆索材料的弹塑性和变形确26102620定。一般情况下,缆索变形处于线弹性范围内,26302640根据Hooke定律得缆索张力。Depth(m)26501.3流体阻力26602670流体阻力同样也

7、取作用在节点两侧索元上SimulationObservation268051015202530Time的流体阻力一半之和。April22001.4浮力225012300Bgiill1/2i1/2i1/2i1/223502Depth(m)24001.5重力2450SimulationObservationGmg2500ii51015202530Time1.6边界条件（A）四月份数据对比August拖曳系统中,拖缆的边界条件分为两个部26102620分,一部分是拖曳端边界条件,即速度与拖曳2630器速度相同;另一部分是自由端边界条件,根据

8、26402650是否考虑拖体的旋转运动