基于空间杆—锥式对接机构的柔性杆技术研究

论文摘要

柔性杆应用于杆-锥式对接碰撞过程属于柔性多体动力学问题,其中还涉及到比较复杂的碰撞瞬态动力学研究,因此具有较大的研究难度。迄今,柔性多体碰撞动力学问题研究仍停留在研究的初级阶段,深入研究工作具有较大的挑战性。本文以含斜碰撞的柔性多体动力学系统作为研究对象,采用理论建模、仿真计算和地面原理实验相结合的方法,通过对柔性杆对接碰撞动力学过程建立理论模型,对柔性杆碰撞过程中的频率特性及振动特性进行仿真分析,对空间杆-锥式对接机构对接过程进行地面实验模拟等研究,较全面地揭示了柔性杆应用于杆-锥式对接碰撞过程中所涉及的复杂非线性动力学行为。论文主要研究内容及学术贡献如下:（1）柔性杆对接碰撞动力学过程建模方面,采用Lagrange分析力学方法来解决其中涉及的多体动力学问题,利用模态叠加法来对碰撞过程中柔性杆的变形进行描述,利用Hertz点-面接触模型来解决碰撞力求解问题,最终得到了可以合理描述柔性杆对接过程首次碰撞的动力学模型。（2）柔性杆对接碰撞过程有限元建模及动力学仿真分析方面,通过对仿真结果的时/频域分析,找出了柔性杆碰撞频率特性与柔性杆振动模态之间的关系;通过有限元方法与理论模型输出结果的比较分析,验证了理论模型在描述首次碰撞问题上的正确性;通过改变柔性杆弹性模量,得到了碰撞力峰值、碰撞持续时间与碰撞过程冲量随弹性模量的对数关系。（3）基于杆-锥式对接机构的地面碰撞实验系统设计方面,给出了地面碰撞实验总体设计方案,其中包括实验系统的组成、实验流程、实验样机及相关器件设计;通过仿真建模分析,对加速度传感器的选择方法进行了较为详细的介绍;给出了利用加速度传感器测量对接碰撞力的测量方法及数据处理方法;通过对实验结果的分析,一方面验证了实验方法的合理性,另一方面也验证了理论模型在描述首次碰撞问题上的正确性。（4）柔性杆结构设计方面,在柔性杆对接碰撞理论模型基础上开展相关结构优化工作,采用遗传算法得到一种对接杆的优化结构,通过有限元方法将普通直线对接杆与经过结构优化对接杆的缓冲性能进行了比较分析,验证了优化结果的有效性。通过大胆假设,探讨了两种大变形对接杆的缓冲性能,其中有效结合了Pro/E与MSC.Patran/Dytran两种软件相互之间的优点,实现了对两种复杂对接杆模型的建模与有限元瞬态动力学仿真,通过仿真结果比较了大变形杆与普通直杆缓冲性能之间的差异,得到了一些很有价值的结论。在这些结论的指导下,设计出弹簧-软质杆组合结构对接杆,并且通过地面碰撞实验的方法验证了组合对接杆与普通软质直杆之间的性能差异。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 论文研究背景及意义
• 1.2 国内外研究情况
• 1.2.1 柔性多体系统动力学
• 1.2.2 接触碰撞问题
• 1.2.3 碰撞实验研究
• 1.3 论文主要研究内容
• 第2章 基于Lagrange 方法的柔性杆对接碰撞动力学研究
• 2.1 引言
• 2.2 柔性杆对接动力学模型
• 2.3 接触碰撞模型
• 2.3.1 碰撞接触条件
• 2.3.2 碰撞接触模型
• 2.3.3 碰撞模型广义力矩阵
• 2.4 柔性杆变形的模态叠加法描述
• 2.5 模型求解
• 2.6 模型计算及分析
• 2.6.1 模型参数取值
• 2.6.2 模型近似的准确性验证
• 2.6.3 模型仿真结果
• 2.7 本章小结
• 第3章 柔性杆对接碰撞理论模型的验证
• 3.1 引言
• 3.2 有限元建模与动力学仿真方法
• 3.2.1 MSC.Patran/Dytran 简要介绍
• 3.2.2 有限元建模
• 3.3 基于杆-锥式对接机构的地面碰撞实验方法
• 3.3.1 地面碰撞实验总体方案
• 3.3.2 加速度传感器选择方法
• 3.3.3 测量及数据处理方法
• 3.4 仿真结果比较分析
• 3.4.1 仿真输出结果比较
• 3.4.2 弹性模量改变对碰撞结果的影响分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 柔性直杆碰撞动力学性能分析及其变截面优化
• 4.1 引言
• 4.2 碰撞振动特性分析
• 4.2.1 频谱分析
• 4.2.2 模态分析
• 4.3 柔性杆变截面优化
• 4.4 本章小结
• 第5章 大变形对接杆碰撞特性分析及设计
• 5.1 引言
• 5.2 基于Pro/E 与MSC.Patran/Dytran 联合建模的大变形杆缓冲性能分析
• 5.2.1 联合建模方法及流程
• 5.2.2 三种对接杆模型
• 5.2.3 模型仿真结果及分析
• 5.2.4 初始相对速度对碰撞冲击的影响
• 5.3 组合对接杆设计及缓冲性能验证
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果