含柔性可伸缩臂多体系统非光滑接触动力学研究

Space manipulator is one of the key mechanism for complicated space mission operations. In recent years, telescopic manipulator has shown up prominently in space application, a typical example is the main arm of NGC (Next Generation Canadarm). Most past studies on dynamics of telescopic manipulator concentrated on the influences of flexibility of the part outside the prismatic joint, and do not model the interaction between the joint wall and the arm in detail. Actually, the mechanical interaction between the prismatic joint and the manipulator may be more complex, due to friction, flexibility of the part inside the joint, clearance, double contact surface and time-varying length, its effects on the system dynamic response requires further research. This study plan to research on modeling, simulation, and experimentation of the non-smooth contact dynamics of multibody system with telescopic manipulator, considering friction, flexibility of the part inside the joint, clearance, double contact surface and time-varying length. Dynamic modeling method for multibody system with flexible telescopic manipulator that is available to consider nonlinear interaction is obtained based on FEM and multibody system dynamics. And then, effects of the mechanical interaction between the joint wall and the arm on the system dynamic response will be analyzed in terms of numerical experiments. This study will enrich the theory of non-smooth multibody dynamics and laying foundations for the future application of space telescopic manipulator system in our country.

空间机械臂是复杂空间任务核心执行机构之一，近年来可伸缩臂在机械臂空间应用领域崭露头角，加拿大新一代空间机械臂的主臂即采用该机构。现有的对可伸缩臂系统动力学特性的研究多专注于悬臂段柔性的影响，对被约束段与滑移铰之间相互作用的建模相对简单。实际上，摩擦、被约束段变形相互耦合，间隙、双面接触、长度时变等因素交织，使得被约束段与滑移铰的相互作用机理十分复杂，其对系统动力学特性的影响有待深入研究。本项目拟开展含柔性可伸缩臂多体系统非光滑接触动力学建模、数值模拟和实验验证研究。考虑库仑摩擦、间隙、被约束段变形、双面接触和长度时变等因素，基于多体动力学理论和有限元方法，建立含柔性可伸缩臂多体系统的非光滑接触动力学模型并构建求解策略，通过数值模拟和实验研究分析揭示被约束段与滑移铰的相互作用对系统动力学行为的影响规律。该项目可丰富非光滑多体系统接触动力学研究内涵，为我国未来应用此类空间伸缩机构奠定基础。

对多体系统中接触碰撞问题建模并构建相关数值算法，是多体动力学的重要研究内容之一。本项目主要完成了三个方面的研究：含摩擦与间隙的柔性可伸缩臂系统接触动力学建模及相关数值算法构建；提出具有可变阻尼项指数的连续型接触力模型，通过实验与仿真数据对比揭示了阻尼项指数对模型精度的影响；构建了考虑接触单元耦合效应的弹性半空间数值模型与相关算法，可处理复杂形体与弹性半空间接触问题。本项目的研究可在一定程度上丰富多体系统接触动力学理论。相对于含旋转关节机械臂系统，对于可伸缩臂系统接触动力学的研究仍有待加强，本项目考虑可伸缩臂全局柔性及其与滑移铰滑道之间的库伦摩擦和间隙，以及可伸缩臂悬臂段长度时变等非线性因素，通过建立节点接触力模型和动态接触单元，并构建各节点接触状态判断方法，为可伸缩臂与滑移铰间的相互作用建模，基于此构建了系统动力学方程求解策略。仿真实验验证了方法的有效性，揭示了可伸缩臂柔性与摩擦等因素对系统动力学的影响。连续型接触碰撞模型在多体动力学中应用广泛，因方程中存在非线性耦合项而难于求解，目前已有二十多种相关模型，且模型中阻尼项指数的取值各异。本项目基于所构造的近似接触力方程，构建了具有可变阻尼项指数的连续型接触力模型。基于新模型进行不同阻尼项指数下的仿真实验，仿真与实验结果的对比验证了新模型的有效性，揭示了阻尼项指数对模型精度的影响规律。很多接触碰撞问题可等效为物体与半空间之间的接触，基于Boussineq方程，本项目利用一系列相互耦合的线性弹簧单元为弹性半空间建模，构建了可计算复杂形体与弹性半空间接触问题的数值方法。对具有解析解的规则形体接触问题进行仿真，仿真结果与解析解的对比表明所构建方法具有相对较高的计算精度。本项目围绕接触动力学展开研究，包括三个主要方面，相关工作在一定程度上丰富和发展了多体系统接触动力学相关基础理论，可为含接触碰撞多体系统动力学问题的建模与仿真提供支撑。