变拓扑柔性多体系统动力学若干关键问题的理论与实验研究

本项研究以航天工程为背景，针对现代大型复杂航天器总体设计中遇到的诸如航天器非连续的动力学过程问题，通过理论分析与实验研究，重点解决变拓扑柔性多体系统动力学建模理论和计算方法中的若干关键问题。基于非连续动力学过程通过合理切换可分解为若干连续过程的思路，将复杂机械系统变拓扑过程统一在通用的柔性多体系统模型下，研究通用与高效的柔性多体系统刚柔耦合动力学模型与接触碰撞动力学模型，解决变拓扑柔性动力学全局仿真系统切换的关键问题。针对变拓扑柔性多体系统动力学的非连续、非光滑特性和存在时间及空间的多尺度问题，研究柔性多体系统非连续动力学全局仿真计算方法。对包含快变量和慢变量的多时间尺度多体系统的复杂非线性动力学行为进行定性分析，为实现动力学仿真和控制策略提供参考依据。此外，考虑到现代大型复杂航天器热环境的影响，本项目将提出刚-柔-热耦合动力学模型，研究时变的温度场对刚柔耦合航天器动力特性的影响。

本项研究以大型复杂航天器总体设计中遇到的诸如航天器非连续动力学过程为背景，通过理论与实验研究，重点解决变拓扑柔性多体系统动力学建模理论和计算方法中的若干关键问题。基于非连续动力学过程通过合理切换可分解为若干连续过程的思路，将复杂系统变拓扑过程统一在通用的柔性多体系统模型下，研究通用与高效的刚柔耦合动力学模型与接触碰撞动力学模型，以及解决系统变拓扑动力学全局仿真切换的关键问题。. 从兼顾模型精确、算法稳定且高效的角度，对比各种接触碰撞模型的优缺点，提出了接触碰撞附加约束模型。该方法虽然增加了接触约束方程，但是避免依赖人为试凑碰撞参数与网格划分的缺陷。通过实验与数值仿真得到了验证。. 变拓扑小变形柔性多体系统动力学全局仿真存在时间及空间的多尺度问题。对于空间多尺度问题，提出了模态坐标和节点坐标联合描述的分区多变量方法。考虑到变拓扑全局仿真在不同的时间阶段存在不同的时间尺度，进一步提出了分段多变量方法。从而有效地提高了变拓扑动力学全局仿真的效率，且通过实验与数值仿真得到验证。. 在大变形刚柔耦合动力学模型方面，从有效减少柔性体自由度的角度，拓展多体动力学单向递推组集的建模思想，提出了单元递推组集大变形柔性梁建模方法。基于共旋坐标法，研究大规模大变形刚柔耦合动力学建模与仿真技术，提出了改进型大变形板/壳共旋坐标法。. 对大规模大变形变拓扑柔性多体系统接触碰撞问题，使用三角形单元作为接触检测的特征几何图元，借鉴计算机图形学的思路，使用双通算法，拓展了点-面接触的接触类型。通过连续碰撞检测方法和基于加速度的步长控制，提高接触碰撞动力学仿真效率。. 此外，考虑到现代大型复杂航天器热环境的影响，本项目提出刚-柔-热耦合动力学模型，研究了时变温度场对刚柔耦合航天器动力特性的影响。