嵌套多柔體系統摩擦接觸動力學研究

《嵌套多柔體系統摩擦接觸動力學研究》是依託大連理工大學,由齊朝暉擔任醒目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：嵌套多柔體系統摩擦接觸動力學研究
• 依託單位：大連理工大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：齊朝暉

項目摘要

由多個空心結構的物體層層嵌套而組成的多體系統，具有其特有的動力學行為：在物體變形和包括摩擦力在內的層間接觸力等因素的耦合作用下，內外層物體間的軸向相對運動會激發整個系統的縱向振盪，常常造成一些大範圍伸縮機構，如高空作業車、空間機械臂等在定位控制過程中的種種障礙，迫切需要對這類嵌套多柔體系統的摩擦接觸動力學進行更加系統深入的研究。由於內外層物體之間的接觸類型屬於面-面接觸，接觸區域也在物體運動過程中不斷變化，分別建立每個物體的有限元模型再施加約束的傳統建模方式在很多方面都遇到了難以克服的困難。針對這些難點問題，本項目將通過對嵌套多體系統整體建模理論和層間接觸面力分布規律的深入研究，提出一種能使所建模型自然滿足內外層物體間接觸條件的建模理論，以及一種更能反映層間接觸力物理本質的接觸力模型和相應的離散化方法。在此基礎上，結合相關控制理論提出一種能有效抑制伸縮機構中殘餘振盪的驅動力控制策略。

結題摘要

典型的嵌套多柔體系統是一組空心梁相互嵌套組成的系統，被廣泛套用於各種伸縮機構中。由於接觸點眾多並且接觸位置瞬態變化、變形的幾何非線性效應明顯、層間摩擦不可忽略等複雜因素，嵌套梁的摩擦接觸動力學分析是一個十分具有挑戰性的難題。工程中常用直接疊加梁的抗彎抗扭模量的方法，所得結果在定性和定量方面都有很大誤差；由於層間縫隙與計算誤差在同一個數量級，通過分析梁在夾層間的相對運動，實時判斷接觸狀態，採用彈簧阻尼接觸力模型計算接觸力的方法，也因計算效率低數值病態嚴重而難以實現。本項目通過深入研究嵌套系統中梁的有限元建模方法、嵌套梁之間運動學約束關係、柔體間單面約束條件的描述方程以及剛性微分方程的數值求解方法，在以下幾個方面取得了新進展：1.構造了單元節點不與物質點固結，可為任意有明確意義空間點的動態節點梁單元。由於單元節點可根據研究對象特點靈活配置，在分析有動邊界條件的系統時，比傳統單元在計算效率和數值穩定性方面具有明顯優勢，也為實現本項目研究目標奠定了關鍵性基礎。2.用縫隙函式值短時間內平均值替代單面約束條件中的縫隙函式，得到了可同時適用於柔體平順接觸和相互碰撞的單面約束條件描述方程，克服了傳統接觸力模型不能用於變形體接觸分析的弊端。3.提出了一種求解剛柔耦合系統的模型降噪方法，可在建模階段濾除多柔體系統動力學方程中的高頻成分。用該方法所建立的系統運動方程不必使用特殊求解器，可用ODE45等常規的微分方程數值方法求解。4.結合嵌套系統特點：梁的截面形心線基本重合，接觸區域集中於梁的左右端面，接觸力的作用是阻止接觸截面形心的橫向位移和截面繞法線的相對轉動，並綜合運用本項目前期成果，提出了嵌套梁系統動力學分析新方法，修正了簡單疊加抗彎抗扭模量方法的錯誤，同時也避免了採用傳統接觸分析方法所帶來的各種困難。本項目研究成果可為各類伸縮機構的力學行為提供理論基礎。