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.pdf

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1、基于绝对节点坐标方法描述的薄膜空间结构接触/碰撞动力学研究朱挺2015年12月中图分类号：O313.7UDC分类号：531.3基于绝对节点坐标方法描述的薄膜空间结构接触/碰撞动力学研究作者姓名朱挺学院名称宇航学院指导教师水小平教授答辩委员会主席王琪教授申请学位工学硕士学科专业动力学与控制学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年12月Contact/collisiondynamicsofspacemembranestructuresdescribedbyAbsoluteNodalCoordinateFormulationCandidateName:TingZhu

2、SchoolorDepartment:SchoolofAerospaceEngineeringFacultyMentor:Prof.XiaopingShuiChair,ThesisCommittee:Prof.QiWangDegreeApplied:MasterofPhilosophyMajor:DynamicsandControlDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence:Dec,2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除

3、特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学硕士学位论文摘要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

4、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

5、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.针对多柔体系统中薄膜构件大转动、大变形的动力学特性，通过全局检测和局部检测实现薄膜结构间的接触检测。在全局检测中，基于单元建立包围盒层次结构，通过层次包围盒算法剔除不可能发生接触的单元，以减少局部检测的工作量；在局部检测中，通过牛顿迭代查找单元间精确的碰撞信息，并通过单元区域划分估算迭代初值。3.基于本文阐述的算法，利用Fortran语言编写程序，分析薄膜纽带、螺旋充气圆管和圆形薄膜太阳翼的接触/碰撞动力学问题，分析结果验证了本文方法的可

6、行性与正确性。关键字：绝对节点坐标方法(ANCF)；可展开薄膜结构；接触动力学；层次包围盒；罚函数法I北京理工大学硕士学位论文AbstractMembranestructures,suchasinflatablemembranestructuresandspinningdeploymentsolarsailstructures,arewidelyusedinlargedeployablespacestructuresbecauseoftheirlightweightandgreatdeployed-area/massratio.Withthemovementofde

7、ployablespacestructures,membranestructuresnotonlyundergooverallrigidmotionsandlargeelasticdeformations,butalsosufferfromthecontact/collisionproblem.Therefore,itisurgenttopresentanaccurateandefficientmethodologytodealwiththecontactproblembetweenthemembranestructuresintheframeworkofthe