本文選題：細梁　切入點：單區(qū)域接觸　出處：《南京航空航天大學》2016年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：大型網架式空間結構在微重力環(huán)境下展開的過程中,由柔性繩索組成的反射網、張力網不僅經歷大范圍運動和大變形,而且會發(fā)生接觸、纏繞甚至打結,導致空間結構在軌展開失敗。為了避免這類事故,必須在空間結構設計階段對柔性繩索的上述復雜動力學行為進行數值仿真和分析。研究柔性繩索的動力學問題一般采用細梁模型。雖然基于絕對坐標描述的梁單元可以正確描述細梁的大范圍運動和大變形相互耦合動力學,但應用于細梁接觸動力學的研究甚少。目前,對細梁接觸動力學的研究主要是兩根梁接觸與單根梁自接觸,且大多采用點對接觸模型,不能正確描述細梁之間的多區(qū)域接觸問題。此外,柔索接觸與纏繞時會發(fā)生摩擦,如果變形過大還會產生塑性變形,這些都是尚未深入研究的問題。因此,在考慮接觸摩擦、局部塑性等因素的前提下,研究經歷大范圍運動和大變形細梁的接觸動力學具有重要的科學意義和工程價值。本文基于絕對節(jié)點坐標方法研究了經歷大范圍運動和大變形的細梁接觸動力學問題,主要研究進展如下:(1)基于最小距離準則和主—從梁方法,提出了細梁單區(qū)域摩擦接觸模型,推導了分別基于罰函數方法與規(guī)則化庫倫摩擦模型的法向接觸力、切向接觸力及其雅可比矩陣。將局部坐標系引入到絕對節(jié)點坐標的縮減梁單元中,使該單元在接觸問題中的應用更加方便。采用廣義-α積分算法求解細梁在大范圍運動和大變形耦合下的接觸動力學問題,通過算例驗證了該模型的正確性和處理上述接觸問題的可行性。(2)在上述細梁單區(qū)域摩擦接觸模型的基礎上,提出了細梁多區(qū)域摩擦接觸模型。在該模型中,接觸梁的相互嵌入深度是梁局部坐標的函數,每個接觸區(qū)域包含至少一個局部最小相互嵌入深度點對,由此可確定接觸區(qū)域的個數。數值仿真結果表明,該模型可成功應用于靜力學接觸或動力學接觸;且基于該模型可有效地對細梁復雜接觸碰撞動力學問題進行數值仿真。(3)為了采用LuGre摩擦模型更加準確、高效地描述細梁接觸過程中的摩擦力,在若干合理假設的前提下建立了分段解析表達形式的LuGre摩擦模型(LuGre-PAE model)。采用數值算例比較了該模型與常微分方程形式的LuGre摩擦模型(LuGre-ODE model)、規(guī)則化庫倫摩擦模型(R-Coulomb model)的優(yōu)缺點,指出LuGre-PAE model不僅能很好地描述Stribeck效應和靜摩擦特性,還表現(xiàn)出很好的摩擦誘發(fā)遲滯特性。(4)數值結果表明,無論采用LuGre-PAE model還是R-Coulomb model,摩擦力都起到抑制細梁相對滑動、顯著降低細梁振蕩的效果;而且摩擦系數越大,這種效果越為明顯。(5)對細梁引入塑性應變僅依賴于縱向變形的假設,建立了空間彈塑性細梁單元,分析了塑性對接觸系統(tǒng)動力學響應的影響。數值結果表明,該單元具有較好的收斂性,與以往文獻對比驗證了該單元的正確性。塑性會增大細梁的變形,并導致能量耗散;細梁接觸時可能會產生較大的局部應變而發(fā)生塑性變形,而該塑性變形可抑制細梁由于接觸碰撞而產生的劇烈振蕩;細梁材料的初始屈服應力越小,上述效果越為明顯。(6)為了驗證本文提出的細梁多區(qū)域摩擦接觸模型的正確性,設計研制了三線擺纏繞實驗系統(tǒng)。實驗結果表明,圓盤角速度的周期隨時間有所減小,峰值與谷值隨時間均向電機的穩(wěn)態(tài)角速度靠近。通過測定實驗系統(tǒng)的參數,采用細梁多區(qū)域摩擦接觸模型對該實驗系統(tǒng)進行了數值仿真,指出產生上述現(xiàn)象的主要原因是圓盤在旋轉中受到的空氣阻力作用。
[Abstract]:The space structure of large deployable truss in microgravity environment, reflecting network composed of flexible rope, tension net not only has a large range of motion and large deformation will occur, and even lead to contact, winding knot, space structure in orbit failed. In order to avoid this kind of accident, must be in the stage of the complex dynamics of space structure design the behavior of the flexible rope by numerical simulation and analysis of dynamic problems of flexible rope. The commonly used fine beam model. Although the absolute coordinate description based on the beam element can correctly describe the fine beam in large range movement and large deformation coupling dynamics research, but applied to fine beam contact dynamics is rare. At present, research on fine beam contact dynamics is mainly two beam contact and single beam self contact, and most of the points of contact model, can not correctly describe the multi area fine between the beams The contact problem. In addition, the cable will contact with friction winding, if large deformation will produce plastic deformation, these are not yet in-depth study. Therefore, in considering the premise of local plastic contact friction and other factors, research experience large range of motion and deformation of the girder fine contact dynamics it has important scientific significance and engineering value. In this paper, the absolute nodal coordinate method was studied based on the experience of large range of motion and deformation of the thin beam contact dynamics, the main conclusions are as follows: (1) the minimum distance criterion and master-slave beam method based on the proposed fine beam single regional friction contact model is deduced respectively penalty function methods and rules of Kulun friction model based on the method of contact force, tangential contact force and the Jacobi matrix. The introduction of the local coordinate system to reduce the absolute nodal coordinate beam element, the element in contact The application is more convenient. Using generalized-a algorithm for solving integral fine beams in the range of motion and deformation under coupling dynamic contact problems, through a numerical example to verify the feasibility of the model is correct and the contact problem. (2) based on the fine beam single regional friction contact model. The fine beam multi region contact model. In this model, each embedded depth of the contact beam is a function of the beam local coordinates, each contact region includes at least one local minimum point of mutual embedding depth, which can determine the number of contact area. The results of numerical simulation show that the model can be successfully applied to the static contact or contact dynamics; and based on the dynamic numerical simulation of the model can be effective in the fine beam complex contact collision. (3) in order to use the LuGre friction model is more accurate and effective to describe fine beam connection The friction contact process, the analytic expression of LuGre friction model in the form of on the basis of some reasonable assumptions under the (LuGre-PAE model). The numerical examples of LuGre friction model of the model with ordinary differential equations (LuGre-ODE model), the rules of Kulun friction model (R-Coulomb model) pointed out the advantages and disadvantages. LuGre-PAE model Stribeck not only can describe the effect well and static friction characteristics, friction induced hysteresis also showed very good. (4) the numerical results show that, regardless of the LuGre-PAE model or R-Coulomb model, the friction force to suppress the fine beam relative sliding, significantly reduce the fine beam oscillation effect; and the greater the friction coefficient and this effect was more obvious. (5) the plastic strain depends only on the assumption that the introduction of longitudinal deformation of thin beams, established the spatial elastic-plastic thin beam element, analysis of the plastic dynamic response of contact system Should the effect. The numerical results show that the unit has a good convergence performance, verify the correctness of the unit compared to previous papers. The plastic deformation will increase the fine beam, and leads to energy dissipation; may produce large local strain and the plastic deformation of thin beam contact, and the plastic deformation can inhibit the slender beam due to contact vibration; the initial fine beam material yield stress is small, the effect is more obvious. (6) in order to verify the correctness of the proposed fine beam multi region contact model, designed and developed a winding line three pendulum experiment system. The experimental results show that cycle disk angular velocity decreases with time, peak and valley value with time to the steady-state motor angular velocity near. Through parameter determination of experimental system, using fine beam multi regional friction contact model in the numerical simulation of the experimental system were pointed out. The main reason for the above phenomenon is the effect of the air resistance on the disc in the rotation.

【學位授予單位】：南京航空航天大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O343.3

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本文編號：1567220