基于接触约束的柔性多体系统斜碰撞动力学建模与仿真研究

The oblique impact problems of flexible multibody systems exist in a lot of engineering fields such as astronautics, aeronautics, and robotics. A dynamic modeling method for the oblique impact dynamics of flexible multibody systems based on contact constraint is to be proposed in the project, and the dynamic simulations will be done. The research will focus on the topics as follows: the normal and tangential impact models based on contact constraint, the contact/separation criterion and the state transition algorithm, the global simulation for the oblique impact dynamics of flexible multibody systems and the partition method. Through the theoretical and numerical research, the oblique impact dynamic model for flexible multibody systems will be established by adding reasonable oblique impact dynamic models, including the normal contact constraint model, the tangential contact constraint model and the tangential slipping model. The contact/separation criterion and the judging of stick and slip status will be settled, and the dynamic transition of different states will be realized. The global dynamic simulation software for flexible multibody systems will be developed, and the dynamic behaviors will be obtained stably and accurately. The partition method will be derived and it will provide an efficient solving approach for the oblique impact dynamics of flexible multibody systems. The research will not only have important academic value for the development of flexible multibody system dynamic theories, but also will have important application value in engineering fields such as robotics and astronautics.

针对航空航天、机器人等工程领域中大量存在的柔性多体系统的斜碰撞问题，本项目旨在提出一种基于接触约束的柔性多体系统斜碰撞动力学建模方法，并进行相关动力学仿真研究。重点研究基于接触约束的法向碰撞模型与切向碰撞模型、系统接触判定准则及不同状态间的切换、柔性多体系统斜碰撞动力学全局仿真及分区处理方法。通过理论建模与动力学仿真的研究，添加合理的斜碰撞动力学模型，包括法向接触约束模型、切向接触约束模型和切向滑移模型，建立柔性多体系统斜碰撞动力学模型；对系统进行正确的接触分离判定以及接触阶段黏滞、滑移状态判定，实现不同状态的动力学模型之间的切换；研制出柔性多体系统全局动力学仿真软件，对动力学行为进行稳定准确仿真，并基于分区处理方法提供一种提高柔性多体系统斜碰撞动力学计算效率的思路。本课题的研究不仅对于柔性多体系统动力学理论的发展有着重要的学术价值，在机器人和航空航天等工程领域也有重要的应用价值。

在航空航天、机器人、车辆等领域，具有轻质、大跨度、精密、高效等特点的复杂机械系统之间的接触碰撞问题不可避免，该问题包含了构件大范围运动、弹性变形运动以及碰撞、摩擦之间的耦合，给动力学分析和精确控制带来了很大的困难。基于此，本项目围绕柔性多体系统斜碰撞动力学的建模理论及数值仿真问题开展了深入研究。本课题的研究对于柔性多体系统非连续动力学理论的发展具有一定的学术意义，对于航天器、机器人等领域亦有潜在应用价值。. 本项目的主要研究内容有：1)基于柔性多体系统刚柔耦合动力学理论，计入大范围刚体运动与小变形运动的耦合，建立了系统的连续动力学模型；斜碰撞力学模型分别选取和对比了不同的法向和切向碰撞模型；对于法向连续接触力模型+切向非线性修正Coulomb摩擦模型，系统的斜碰撞动力学方程是在连续动力学方程上添加法向和切向碰撞广义力；对于法向接触约束模型+切向接触约束模型，黏滞(stick)状态的斜碰撞动力学方程是在连续动力学方程上添加法向和切向接触约束方程，滑移(slip)状态的斜碰撞动力学方程是在连续动力学方程上添加法向接触约束方程和切向碰撞广义力。2)对柔性多体系统含斜碰撞的全局动力学的计算，制定了接触状态判定和切向状态判定准则，接触状态需依据碰撞点之间法向距离和速度等参数来判定接触状态与分离状态；切向状态需根据切向相对速度、最大静摩擦力等参数来判定黏滞状态与滑移状态，黏滞状态与滑移状态的切换可用试算法实现。3)在斜碰撞动力学建模理论基础上，编制了柔性多体系统斜碰撞动力学仿真软件，并对具体算例进行含斜碰撞过程的全局动力学仿真，分析了系统的动力学特性变化以及碰撞对大范围运动和小变形运动的影响，仿真结果验证了柔性多体系统斜碰撞动力学建模理论的准确性；提出一种基于接触约束的分区处理方法，将一个柔性多体系统分区为碰撞局部区域和远离碰撞区域，兼顾了全局动力学计算的精度和效率。