《多熔体系统动力学报告.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《多熔体系统动力学报告.doc（19页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、哈尔滨工业大学航天学院多柔体系统动力学读书报告指导教师：田 浩目录第一章 多体系统发展简介- 1 -1.0 综述- 1 -1.1 发展过程- 1 -1.2 多柔体系统动力学研究概况- 1 -1.3 多体系统动力学数值计算方法研究概况与进展- 4 -1.4 软件发展- 6 -第二章 多体系统动力学模型- 7 -2.1 多柔体系统动力学建模- 7 -2.2 多柔体系统动力学模型的降阶- 8 -2.2.1惯性完备性准则- 8 -2.2.2 基于输出响应或传递函数的模态选取准则- 9 -2.2.3模态价值分析准则- 9 -2.2.4内平衡降阶准则- 9 -第三章 大型星载可展开天线问题- 11 -3.
2、0 综述- 11 -3.1 展开动力学研究的任务和要求- 11 -3.2 构形特点- 12 -3.3 力学模型- 12 -3.4 多柔体系统动力学的建模方法- 13 -3.4动力学分析与试验的相关性检验- 13 -第四章 柔性关节误差对星载天线扰动问题- 15 -4.0 综述- 15 -4.1 国内外研究情况- 15 -参考文献- 17 - 17 -第一章 多体系统发展简介1.0 综述多体系统动力学是研究多体系统（一般由若干个柔性和刚性物体相互连接所组成）运动规律的科学。多体系统动力学包括多刚体系统动力学和多柔体系统动力学。虽然经典力学方法原则上可用于建立任意系统的微分方程，但随着系统内分体数
3、和自由度的增多，以及分体之间约束方式的复杂化，方程的推导过程变得极其繁琐。为适应现代计算技术的飞速发展，要求将传统的经典力学方法针对多体系统的特点加以发展和补充，从而形成多体系统动力学的新分支。为建立多体系统动力学的数学模型，已经发展了各种方法，其共同特点是将经典力学原理与现代计算技术结合。这些方法可归纳为两类，即相对坐标方法和绝对坐标方法。1.1 发展过程20世纪60年代，古典的刚体力学、分析力学与计算机相结合的力学分支多体系统动力学在社会生产实际需要的推动下产生了。其主要任务是：1.建立复杂机械系统运动学和动力学程式化的数学模型，开发实现这个数学模型的软件系统，用户只需输入描述系统的最基本
4、数据，借助计算机就能自动进行程式化的处理；2.开发和实现有效的处理数学模型的计算机方法与数值积分方法，自动得到运动学规律和动力学响应；3.实现有效的数据后处理，采用动画显示，图表或其他方式提供数据处理结果。目前多体动力学已形成了比较系统的研究方法。其中主要有工程中常用的以拉格朗日方程为代表的分析力学的方法、以牛顿-欧拉方程为代表的矢量学方法、图论方法、凯恩方法和变分方法等。1.2 多柔体系统动力学研究概况机械系统一般是由若干个物体组成，通过一系列的几何约束联结起来以完成预期动作的一个整体，因此也可以把整个机械系统叫做多体系统。多刚体系统动力学是以系统中各部件均抽象为刚体，但可以计及各部件联结点
5、(关节点)处的弹性、阻尼等影响为其分析模型的。多刚体系统动力学是在经典力学的基础上发展起来的，从60年代至今，多刚体系统动力学已经形成了许多各具特色的方法，如Newton-Euler方法、Lagrange方法、Roberson-Wittenburg方法、Kane方法、Huston方法等，并取得了相当完善的成果，已经解决了工程上的许多实际应用课题。多柔体系统动力学则在此基础上进一步考虑部件的变形，是多刚体系统动力学的自然延伸和发展。对多柔体系统的研究有着实际的工程应用背景。随着动力学模拟的深入，人们发现，系统中某些物体的变形有时会对系统性能产生非常重要的影响。在航天器、机器人领域和机构设计等方面
6、，部件有向轻质量和高速度发展的趋势，其中系统中轻质量大尺度部件的高速运动往往引起系统的剧烈振动，达不到高精度要求，甚至毁坏系统的某些部件。为了解决这个问题，就应该考虑系统中某些部件的弹性变形，即在抽象物理模型时就要考虑某些部件的柔性效应。同时，必须考虑柔性体的变形与其大范围空间运动之间的相互作用或相互藕合，以及这种藕合所导致的动力学效应的研究，这类系统称为柔性多体系统或刚一柔混合多体系统柔性多体系统动力学研究由刚体和柔性体组成的复杂机械系统在经历大范围空间运动时的动力学行为。从“多体”这一方面来讲是多刚体系统动力学的自然延伸和发展，从“柔体”这一特点着眼是变形体力学的拓广。对于柔性多体系统来说
7、，它的各构件之间一般都存在着大的相对平动和转动，而且在运动中要考虑构件的柔性。这就使得系统运动的自由度，各构件互相之间的运动学关系都大大地复杂化了。同时引起了复杂而变化的离心力和哥氏力力场，影响了多体之间相互运动的力学条件。这就使得考虑多体运动和柔性效应之间的藕合显得极其重要。文献认为:柔性多体系统不同于多刚体系统，它含有柔性的部件，变形不可忽略，其逆运动学是不确定的;它与结构动力学不同，部件在自身变形运动同时，在空间中经历着大的刚性移动和转动，刚性运动与变形运动互相影响、强烈藕合，与一般的系统不同，它是一个多输入、多输出的无穷维、时变、高度藕合、高度非线性的复杂系统。总之，多柔体系统动力学是
8、与经典动力学、结构动力学、连续介质力学、计算力学、现代控制理论及计算机技术紧密相联的一门新兴交叉、边缘性学科，在航空航天、机器人、高速机构及车辆等各个领域有着广泛的应用，成为目前理论和应用力学最活跃的分支之一。它的主要任务是研究建立系统的适合计算机的动力学模型的建模方法和有效的数值求解方法。随着部件尺寸的增大、结构重量的减轻，从而刚度的减弱以及运行速度的提高，在许多方面都提出了多柔体系统建模的需求。在人造卫星、航天飞机、大型空间站等的动力学分析中，由于它们的天线和太阳能帆板的伸展尺寸与本体尺寸相比，可能大到几倍甚至十几倍，此时弹性变形不再可以忽略。1958年美国发射的第一颗人造卫星“探险者1号
9、”(EXPLORER-I)。由于在系统的动力学建模时没有计及4根鞭状天线的弹性影响，导致卫星入轨后翻滚、失控;1982年美国“陆地卫星一4(LANDSTA-IV)的观测仪的旋转部分受到柔性太阳帆板驱动系统的干扰而产生微小扰动，从而降低了图像质量;“国际通讯卫星V号”(INTERSAT-V)柔性太阳帆板扭振频率与驱动系统发生谐振时，导致帆板停转和打滑。各种问题的提出引发了人们对多柔体系统建模的思索和重视，开始了多柔体建模的探讨和研究。多柔体系统动力学从起步到逐渐成为主要研究焦点，经历了几个阶段:七十年代初期开始，PWLikins,WJBook,JPSadler等人对柔性系统进行了大量的研究工作。
10、随着有限元方法的出现，发展和成熟，1971年RCWinfrey和Erdman先后在不考虑构件弹性变形对其大范围刚体运动影响的情况下，把结构分析中的有限元法引入弹性系统的分析中，从而为展开弹性多体系统动力学开辟了一条新路。Winfrey等人的工作，标志着机构弹性动力学近期研究工作的开始。该方法的要点是，不考虑构件的弹性变形对其大范围运动的影响，而是通过对多刚体系统动力学分析得到构件运动性态，再加上构件的惯性特性，以惯性力的形式加到构件上，然后根据惯性力和系统的外力对构件进行弹性变形以及强度分析。这种方法实质上是将柔性多体系统动力学问题转变成多刚体系统动力学与结构动力学的简单叠加，忽略了二者之间的
11、耦合。到了八十年代，柔性多体系统动力学进入了高速发展阶段。KED更加精确化，形成了比较精确的数学模型。在KED方法口趋成熟之时，柔性多体动力学，俗称FMD(FlexibleMultibodyDynamics)逐渐成为研究的焦点。随着轻质、高速的现代机械系统的不断出现，KED方法的局限性口益暴露出来。为了计及构件弹性变形对其大范围运动的影响，人们首先对柔性构件建立一个浮动坐标系，将构件的位形认为是浮动坐标系的大范围运动与相对于该坐标系的变形的叠加，提出了用大范围浮动坐标系的刚体坐标与柔性体的节点坐标(或模态坐标)建立动力学模型的方法。在具体建模的过程中先将构件的浮动坐标系固化，弹性变形按照某种理
12、想边界条件下的结构动力学有限元(或模态)进行离散，然后仿照多刚体系统动力学的方法建立离散系统数学模型。这种方法虽然考虑了构件弹性变形对大范围运动的影响，但在对柔性体离散时并没有考虑大范围运动对其的影响，且在对有限元(或模态)进行离散时具有很大的随意性。实质上这种方法是柔性多体系统的一种零次近似的藕合动力学。尽管如此，国内外的学者对这种模型的研究持续约十来年，在建模方法研究的基础上重点解决了数学模型数值解的病态问题，并在工程领域得到一些应用。近年来的研究表明，采用这种零次近似的藕合方法得到的柔性多体系统动力学的分析结果，有的和工程实际比较接近，精度较高。Boland,Kane,WSanada,S
13、Dubonsky,AAShabana,EJHang等都为柔性多体系统动力学建模做出了杰出贡献。中国学者对于多体系统动力学的研究始于80年代，对太阳能电池帆板阵、挠性机械臂、星载可展开天线等的动力学分析做了许多研究工作。文献对柔性多体系统动力学研究进行了较为全面的回顾。到目前为止，柔性多体系统动力学的研究虽然取得了一些成果，在实际工程中得到了应用，但是远没有达到多刚体系统动力学的研究水平，其主要原因是对物体大范围运动和弹性变形藕合问题的认识和处理方法上遇到困难。1.3 多体系统动力学数值计算方法研究概况与进展数值求解方法是多体系统动力学研究的一个重要方面。柔性多体系统的动力学方程是强藕合、强非线
14、性方程，这种方程的求解目前只能通过计算机用数值方法解决。慢变的、大的刚性运动和快变的、小的弹性运动的藕合使得柔性多体系统的动力学方程成为时变的非线性的刚性方程，其求解过程易出现病态或不收敛，故多柔体系统的动力学方程求解引起学者们的极大关注，形成了各种不同的求解法。求解这类方程的数值算法主要有:牛顿一拉斐逊(Newton-Raphson)法;直接积分法(中心差分法、威尔逊法、纽马克(Newmaxk)法、帕克(Paxlc)刚性稳定法)、精细积分法、Treanor法等。多柔体系统动力学各种方法的数学模型都可以归纳为微分方程组和微分一代数混合方程组两种类型。对于数学模型的数值计算方法也有两种，即直接数
15、值方法和符号数值方法。前者的动力学方程以未展开的矩阵形式存在，在计算时直接代入数字作数值积分。后者则利用计算机自动推导出数字一字符形式的动力学方程，再对符号方程作数值计算。根据拉格朗日方程，使用非独立广义坐标的方法建立的多体系统动力学方程是一组非线性的微分一代数混合方程组，又称为DAE方程(DifferentialAlgebraicEquations)通常要通过数值方法进行求解。数值算法方面研究的主要问题包括常微分方程的刚性问题、微分一代数方程的数值解法问题、多体系统非线性动力学行为的数值分析方法等。微分一代数方程组的求解方法已成为目前多体系统动力学的难点问题。近二十年国内外进行了大量的研究工
16、作。目前的研究方法大体有以下三种.(1)通过数值方法，利用计算机自动寻找独立变量个数并选择，将方程缩并为个数与自由度数相等的方程后再进行数值处理。将微分一代数方程转化为常微分方程ODE(OrdinaryDiferentialEquations)方程的个数等于系统独立的广义坐标数，该方法称为缩并法。(2)Baumgarte定化方法，将全部广义坐标与拉格朗口乘子作为未知量统一处理，将方程变为较大变量数的方程，由微分一代数方程得到常微分方程(方程的个数与系统的广义坐标数相等)，该方法称为增广法(AugmentedMethod)。(3)利用多体系统动力学方程的特点，直接构造微分一代数方程的数值差分格式。文献作了较全面的综述，在这方面，Wbaumgarte，RAWehag
