柔性多体动力学全局仿真的碰撞检测方法研究

论文摘要

本文在国家自然科学基金项目“柔性多体系统非连续动力学建模理论与仿真技术研究”（No.10772113）的资助下,对柔性多体系统碰撞动力学碰撞检测方法以及结合碰撞检测后的碰撞动力学仿真做了研究。根据柔性多体碰撞动力学的独特需求,改进了现有的一些实时碰撞检测算法,发展出一种适应于柔性多体碰撞动力学仿真的碰撞检测方法,并且以附加接触约束方法为依托,根据碰撞检测的结果自动调整接触约束方程,使动力学方程适应系统拓扑模型的变化,完成柔性多体碰撞的整个动力学仿真过程。具体研究内容和安排如下:第一章为绪论。本章介绍了柔性多体碰撞动力学中碰撞检测的工程背景和研究意义,综述了柔性多体碰撞动力学的研究现状,阐述了由于柔性体在碰撞过程中变形造成系统拓扑模型的改变给后续动力学仿真带来的困难,指明了柔性多体碰撞动力学碰撞检测可以和某种碰撞动力学求解方法配合,实现碰撞动力学的仿真,最后提出了本文的研究任务。第二章基于多体系统变拓扑思想,将柔性多体系统碰撞分为非碰撞阶段和碰撞阶段。根据这一特征,碰撞检测也可以分为宏接触检测和微接触检测。根据两种阶段各自的特点,在宏接触检测中借鉴了包围盒的思想,采用包围盒方法进行碰撞检测,在微接触检测中基于接触点动态跟踪思想对宏接触检测方法做了改进,提出了接触点动态跟踪检测方法。本章阐述了宏接触检测方法和微接触检测方法,并通过算例验证了碰撞检测方法在平面问题和空间问题应用中的正确性,最后从计算效率上对本文采用的宏接触检测与微接触检测相结合的模式和传统单一方法检测模式做了对比,显示了接触点动态跟踪检测方法的高效性。第三章将碰撞检测与考虑速度突变的附加接触约束方法相结合,实现了对平面柔性多体碰撞动力学的通用性仿真。本章先是指明了柔性多体碰撞动力学的仿真流程,然后对非碰撞阶段的柔性体动力学方程、碰撞阶段基于附加接触约束的碰撞动力学方程进行了阐述,指出了不同阶段之间相互切换时应该注意的问题,最后通过对一个平面两柔性杆横向多次碰撞问题的算例仿真,从兼顾计算精度和计算效率的角度,对附加接触约束方法和LS-DYNA罚函数方法进行了对比,改进了LS-DYNA罚函数方法存在的不足,显示了融入碰撞检测以后的附加接触约束方法具有的优势。第四章将融入碰撞检测的附加接触约束方法推广到三维空间问题,针对空间问题的特殊性,阐明了如何根据碰撞检测结果建立空间接触约束方程,以实现仿真程序对空间问题的碰撞动力学仿真,并通过一个空间两柔性杆横向多次碰撞问题的算例仿真,验证了结合碰撞检测后的附加接触约束方法在解决空间碰撞问题的适用性,实现了空间柔性多体碰撞无摩擦的仿真。第五章为全文总结,指出本文的主要贡献及创新点,并对后续研究进行了展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 本文的工程背景和研究意义
• 1.2 国内外的研究现状
• 1.3 本文的主要研究目标及内容
• 第二章 柔性多体碰撞动力学的碰撞检测
• 2.1 引言
• 2.2 非碰撞阶段的宏接触检测
• 2.3 碰撞阶段的微接触检测
• 2.4 碰撞检测算例
• 2.4.1 算例1：平面两柔性杆横向碰撞检测
• 2.4.2 算例2：空间两柔性杆横向碰撞检测
• 2.5 本章小结
• 第三章 平面柔性多体碰撞动力学仿真
• 3.1 引言
• 3.2 柔性多体系统碰撞动力学仿真流程
• 3.3 非碰撞阶段的柔性多体动力学
• 3.4 碰撞阶段基于附加接触约束的碰撞动力学
• 3.4.1 碰撞阶段动力学方程
• 3.4.2 附加接触约束矩阵
• 3.4.3 积分初始条件
• 3.4.4 碰撞阶段计算机求解流程
• 3.5 非碰撞阶段到碰撞阶段的切换
• 3.6 算例：平面两柔性杆横向多次碰撞问题
• 3.7 本章小结
• 第四章 空间柔性多体碰撞动力学仿真
• 4.1 引言
• 4.2 空间柔性多体附加接触约束方程
• 4.3 算例：空间两柔性杆横向多次碰撞问题
• 4.4 本章小结
• 第五章 全文总结
• 5.1 主要贡献和创新点
• 5.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文情况