多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模方法及在水下纜索中的應(yīng)用研究.pdf

1、基于Huston多體方法，提出了以低序體組為分析對象的多體系統(tǒng)矢量建模的新方法。結(jié)合多柔體系統(tǒng)的理論，對水下纜索動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了深入的研究，提出了改進(jìn)纜索有限段模型。文中對平面和空間含運(yùn)動(dòng)副間隙的多體系統(tǒng)和海洋中典型纜索系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，驗(yàn)證了方法的正確性和有效性，并得到許多有益的結(jié)論。 對Huston多體方法進(jìn)行了深入研究，給出了偏速度具有物理意義的表達(dá)形式，進(jìn)而推導(dǎo)了Kane方程對應(yīng)的矢量平衡方程。據(jù)此提出了低序體組的概念和以

2、低序體組為分析對象的多體系統(tǒng)矢量力學(xué)建模方法，推導(dǎo)了多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程矩陣表達(dá)形式。Huston方法和基于低序體組的矢量建模方法可以相互補(bǔ)充，相輔相成?；谏鲜鍪噶苛W(xué)建模方法，應(yīng)用新的多體系統(tǒng)編號方式與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)描述方法，提出了多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)編程的新思路。根據(jù)多體系統(tǒng)矢量建模法推導(dǎo)了適于含鉸鏈間隙多體系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程，避免了矩陣求逆運(yùn)算，可以提高計(jì)算的速度、精度和穩(wěn)定性，并對含間隙的低速運(yùn)動(dòng)的平面機(jī)械臂和高速運(yùn)動(dòng)的空間機(jī)械臂系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力

3、學(xué)仿真，與Adams軟件對不考慮間隙的仿真結(jié)果做了比較，驗(yàn)證了多體矢量建模方法的正確性。 基于對Huston方法矢量力學(xué)分析的結(jié)論，提出了三種空間離散方法，即集中質(zhì)量法、有限元法和有限段法描述纜索的力學(xué)方程的統(tǒng)一形式，并通過對比各種方法對一纜索結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)分析的結(jié)果，分析了三種方法的精度，指出了纜索有限段法的優(yōu)點(diǎn)和用于彈性纜索時(shí)精度欠佳。由于纜索有限段法是直接應(yīng)用Huston多體方法，計(jì)算量大。針對纜索有限段法上述不足，本文將纜索視

4、為多柔體系統(tǒng)，引入有限元法中對彈性體位移的描述方式，緊密結(jié)合纜索自身的特點(diǎn)，提出了改進(jìn)的纜索有限段模型，選取合適的廣義速率，推導(dǎo)了二維和三維纜索的動(dòng)力學(xué)方程。改進(jìn)的纜索有限段模型方程形式簡潔，計(jì)算量少，精度高，尤其適用于彈性纜索。針對拖曳纜索釋放—回收過程，建立了變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改進(jìn)纜索有限段模型，通過可變長度纜段長度的變化和系統(tǒng)纜段數(shù)量的增減來真實(shí)的模擬纜索釋放和回收過程。應(yīng)用改進(jìn)纜索有限段法，對典型的海洋纜索系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真。對拖曳

5、系統(tǒng)啟動(dòng)、纜索釋放、穩(wěn)定運(yùn)行、系統(tǒng)停止整個(gè)過程進(jìn)行了仿真，并與海洋試驗(yàn)結(jié)果比較，驗(yàn)證了方法的正確性。對小型拉緊式系泊浮標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行了模型水池試驗(yàn)研究，同時(shí)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真，試驗(yàn)與仿真結(jié)果吻合。以上工作對海洋纜索系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和使用具有理論指導(dǎo)意義和實(shí)用價(jià)值。 文中探討了大變形的鏈索桿系結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)分析的新思路，用動(dòng)能衰減或阻尼衰減法，讓系統(tǒng)“運(yùn)動(dòng)”到穩(wěn)態(tài)平衡位置，應(yīng)用改進(jìn)的纜索有限段法計(jì)算運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。該方法適用于強(qiáng)非線性的對初值敏感的結(jié)構(gòu)穩(wěn)