本發(fā)明屬于空間結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)計(jì)算技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種空間復(fù)雜柔性結(jié)構(gòu)多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模與計(jì)算方法。
背景技術(shù):
近年來,我國航天科技發(fā)展迫切需要掌握柔性空間結(jié)構(gòu)在軌展開技術(shù),以滿足衛(wèi)星通信、天基對地觀測和深空探測等重大需求。這類空間結(jié)構(gòu)一般主要由剛性桿、柔性梁、板、殼和柔性繩索等構(gòu)件組成,各構(gòu)件間除鉸節(jié)點(diǎn)處的位置約束外,還存在大量同步、滑移等非線性約束。同時(shí)這類空間結(jié)構(gòu)展開尺度大、柔軟部件多、構(gòu)形復(fù)雜,其展開過程會(huì)呈現(xiàn)系統(tǒng)大范圍運(yùn)動(dòng)與柔軟部件大變形之間的非線性耦合動(dòng)力學(xué)。美國、俄羅斯等國在其航天任務(wù)中,曾發(fā)生多起結(jié)構(gòu)展開失敗。由于這類結(jié)構(gòu)的展開動(dòng)力學(xué)地面實(shí)驗(yàn)難度大、無法完全抵消重力影響,故其展開過程的動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬是確保結(jié)構(gòu)展開成功的關(guān)鍵技術(shù)。
針對此類空間復(fù)雜柔性結(jié)構(gòu)多體系統(tǒng),經(jīng)典多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法的研究思路是:在柔性結(jié)構(gòu)體上附著浮動(dòng)坐標(biāo)系,以其相對于絕對坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)來描述柔體大范圍運(yùn)動(dòng),通過模態(tài)縮聚近似描述柔性結(jié)構(gòu)體相對浮動(dòng)坐標(biāo)系的變形。該類方法一般引入小轉(zhuǎn)動(dòng)、小變形假設(shè),將柔性結(jié)構(gòu)體的彈性變形與剛體位移分開考慮,進(jìn)行解耦處理。通常這種方法只能靠大量增加單元數(shù)量來處理柔性結(jié)構(gòu)體的大變形、大位移問題,從而導(dǎo)致計(jì)算規(guī)模大、計(jì)算效率低。此外,這種方法不能精確地反映空間復(fù)雜柔性結(jié)構(gòu)展開過程中的力學(xué)本質(zhì)特性。由于空間復(fù)雜柔性結(jié)構(gòu)多體系統(tǒng)存在很多非線性約束、運(yùn)動(dòng)副間隙及復(fù)雜的載荷條件,目前商業(yè)軟件在系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模、數(shù)值求解效率等方面存在許多困難。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
有鑒于此,本發(fā)明提供了一種空間復(fù)雜柔性結(jié)構(gòu)多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模與計(jì)算方法,為柔性結(jié)構(gòu)多體系統(tǒng)提供了一種簡單有效的動(dòng)力學(xué)建模方法,提高了計(jì)算效率。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
步驟101:建三維模型和賦予參數(shù):根據(jù)所要求解的實(shí)物,建立該實(shí)物的三維模型,輸入所建模型的材料參數(shù)、幾何參數(shù)以及空間結(jié)構(gòu)拓?fù)潢P(guān)系;
步驟102:網(wǎng)格劃分:基于步驟101賦予參數(shù)后的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,利用絕對節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)法、幾何精確法或等幾何分析方法確定網(wǎng)格單元類型,將劃分后的三維模型定義為網(wǎng)格模型;
步驟103:根據(jù)步驟102劃分的網(wǎng)格確定各個(gè)網(wǎng)格單元的初始節(jié)點(diǎn)位置和初始節(jié)點(diǎn)速度,基于單元初始節(jié)點(diǎn)位置和初始節(jié)點(diǎn)速度計(jì)算網(wǎng)格單元廣義坐標(biāo)向量q和廣義速度向量
步驟104:根據(jù)步驟103獲得的廣義坐標(biāo)向量和廣義速度向量,設(shè)置網(wǎng)格模型的外部載荷及邊界條件,基于網(wǎng)格模型的邊界條件,建立網(wǎng)格模型的約束方程,并設(shè)置仿真總時(shí)長t以及仿真時(shí)間步長h;
步驟105:根據(jù)步驟102-104獲得的網(wǎng)格單元類型、廣義坐標(biāo)向量、廣義速度向量和約束方程,基于第一類拉格朗日方程建立多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程,如下:
其中m為系統(tǒng)質(zhì)量陣,
步驟106:對所建的多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行時(shí)域離散,獲得時(shí)域離散后的多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程,對離散后的多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行迭代,并對迭代過程中生成的線性方程組進(jìn)行并行求解,輸出廣義坐標(biāo)向量q以及拉格朗日乘子向量λ,至此完成對空間復(fù)雜柔性結(jié)構(gòu)多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)問題的建模與求解。
進(jìn)一步地,所述步驟106具體為:
步驟601:根據(jù)步驟105得到多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程,對多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行離散,離散后多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程見公式(2);
步驟602:對離散后的多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行求解得到第n+1步的廣義坐標(biāo)向量qn+1、廣義速度向量
步驟603:根據(jù)步驟602判斷時(shí)間tn+1是否小于總仿真時(shí)間t,若當(dāng)前時(shí)間tn+1不小于總仿真時(shí)間t,則計(jì)算停止;否則,n自動(dòng)加1,重復(fù)執(zhí)行步驟601-603,計(jì)算廣義坐標(biāo)向量qn+1、廣義速度向量
進(jìn)一步地,對多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行離散采用如下方法:
應(yīng)用廣義-alpha隱式時(shí)間積分算法對多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行如下離散:
其中
式(4)中,β和γ為決定計(jì)算精度與效率的算法參數(shù),取γ≥1/2和β≥(1/2+γ)2/4。n為迭代次數(shù),h為仿真時(shí)間步長,為了耗散系統(tǒng)高頻響應(yīng),引入新的算法矢量參數(shù)a,其中矢量參數(shù)a滿足關(guān)系:
式(4)和式(5)中各參數(shù)的選取方法如下:
其中
進(jìn)一步地,本步驟中用q均代表qn+1,λ均代表λn+1,所述步驟602進(jìn)一步包括:
步驟6021:設(shè)置求解精度tol;
步驟6022:采用newton-rapson迭代求解所述公式(2),獲得如下線性代數(shù)方程組:
其中δq和δλ是當(dāng)前時(shí)刻t系統(tǒng)廣義坐標(biāo)向量和拉格朗日乘子向量的增量,其中
其中,
步驟6023:根據(jù)步驟6021獲得的線性方程組計(jì)算當(dāng)前殘差向量的模r;
其中,||·||為模;
步驟6024:根據(jù)步驟6022對線性方程組的求解更新當(dāng)前廣義坐標(biāo)向量以及拉格朗日乘子向量;
步驟6025:根據(jù)步驟6023獲得的殘差向量模判斷迭代結(jié)果是否收斂,若r>tol,則根據(jù)步驟6024更新獲得的廣義坐標(biāo)向量以及拉格朗日乘子向量,重復(fù)執(zhí)行步驟6022-6025,直至r<tol或r=tol,輸出步驟6024獲得的廣義坐標(biāo)向量q以及拉格朗日乘子向量λ。
有益效果:
1)本發(fā)明采用絕對節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)法、幾何精確梁理論和等幾何分析等非線性有限元法對空間復(fù)雜柔性結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散,充分考慮了柔性結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)與變形耦合問題,為空間復(fù)雜柔性結(jié)構(gòu)多體系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)建模提供了手段。
2)本發(fā)明采用區(qū)域分解和并行計(jì)算技術(shù),大幅度提高了空間復(fù)雜柔性結(jié)構(gòu)多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算效率。
附圖說明
圖1為對含復(fù)雜多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)問題進(jìn)行建模與計(jì)算方法流程圖。
圖2為某桁架索網(wǎng)天線結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明所開發(fā)的部分可選的單元類型示意圖。
圖4為軸承軸瓦模型結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為同步齒輪模型結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6為移動(dòng)副模型結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7為對系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程高效數(shù)值積分求解算法流程圖。
圖8為對系統(tǒng)離散非線性方程高效求解算法流程圖。
圖9為本發(fā)明建模和求解算法方法應(yīng)用于某桁架索網(wǎng)天線,并進(jìn)行數(shù)值仿真天線展開部分時(shí)刻結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖并舉實(shí)施例,對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
對于空間復(fù)雜柔性結(jié)構(gòu)多體系統(tǒng),通常由眾多柔性桿件和柔性索網(wǎng)組成,在展開過程中這些構(gòu)件會(huì)產(chǎn)生很大變形和大范圍轉(zhuǎn)動(dòng),此時(shí)基于小變形和小轉(zhuǎn)動(dòng)假設(shè)的多體建模分析方法已不能滿足工程需求。對于此類柔性構(gòu)件的建模主要采用非線性有限元法:如絕對節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)法、幾何精確法和等幾何分析方法等。其中shabana等基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和有限元法提出了絕對節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)法(ancf)。與經(jīng)典多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法相比,該方法在慣性坐標(biāo)系下采用統(tǒng)一的插值函數(shù)描述柔體的剛體運(yùn)動(dòng)與彈性變形,非常適用于描述同時(shí)具有大轉(zhuǎn)動(dòng)和大變形的柔體動(dòng)力學(xué)。此外,幾何精確梁理論是simo等以有限應(yīng)變梁理論為基礎(chǔ)發(fā)展的一種非線性有限元方法,該法能夠高效并準(zhǔn)確地處理大變形與大轉(zhuǎn)動(dòng)問題,近年來也被廣泛應(yīng)用于空間可展開結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)仿真。為了統(tǒng)一幾何模型與力學(xué)分析模型,實(shí)現(xiàn)兩者的無縫集成,在有限元領(lǐng)域,hughes等提出的一種新的以樣條理論為基礎(chǔ)的數(shù)值計(jì)算方法:等幾何分析(iga)。
綜上所述,在空間復(fù)雜柔性結(jié)構(gòu)多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)展開分析階段,如何考慮并解決柔性構(gòu)件變形與大范圍運(yùn)動(dòng)的耦合問題,并提高數(shù)值仿真計(jì)算效率成為航天科技發(fā)展亟待解決的技術(shù)問題。本發(fā)明提出了一種對含大變形構(gòu)件的空間結(jié)構(gòu)多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模與計(jì)算方法。
如圖1所示,實(shí)施典型案例為對如圖2所示的某環(huán)形桁架索網(wǎng)天線機(jī)構(gòu)展開動(dòng)力學(xué)建模與計(jì)算方法。
該方法包括如下步驟:
步驟101:建三維模型和賦予參數(shù):根據(jù)所要求解的實(shí)物,建立該實(shí)物的三維模型,輸入所建模型的材料參數(shù)、幾何參數(shù)以及空間結(jié)構(gòu)拓?fù)潢P(guān)系。具體包括:根據(jù)環(huán)形桁架索網(wǎng)天線的幾何參數(shù)以及空間結(jié)構(gòu)拓?fù)潢P(guān)系,在proe軟件中建立環(huán)形桁架索網(wǎng)天線三維模型,并輸入環(huán)形桁架天線不同部件的材料參數(shù)。由于金屬絲反射網(wǎng)密度很小,且附著在前張力網(wǎng)上,因而忽略金屬絲反射網(wǎng)的影響。
步驟102:網(wǎng)格劃分:基于步驟101賦予參數(shù)后的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,利用絕對節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)法、幾何精確法或等幾何分析方法確定網(wǎng)格單元類型,將劃分后的三維模型定義為網(wǎng)格模型;根據(jù)模型性質(zhì)以及精度要求,選取合適的單元類型,如圖3所示,剛體模型有:基于自然坐標(biāo)方法描述的剛體單元、基于自然坐標(biāo)方法描述的縮減剛體單元,基于絕對節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)方法描述的參考節(jié)點(diǎn)剛體單元;柔體單元有:基于絕對節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)方法描述的全參數(shù)梁單元、基于絕對節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)方法描述的縮減梁單元、基于絕對節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)方法描述的斜率不連續(xù)的梁單元、基于絕對節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)描述的矩形薄板單元以及基于絕對節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)描述的三角形薄板單元等,其中絕對節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)法、幾何精確法或等幾何分析方法均具有解決耦合特性的特點(diǎn)。
步驟103:確定模型廣義坐標(biāo)向量和廣義速度向量:根據(jù)步驟102劃分的網(wǎng)格確定各個(gè)網(wǎng)格單元的初始節(jié)點(diǎn)位置和初始節(jié)點(diǎn)速度,基于單元初始節(jié)點(diǎn)位置和初始節(jié)點(diǎn)速度計(jì)算網(wǎng)格單元廣義坐標(biāo)向量q和廣義速度向量
步驟104:根據(jù)步驟103獲得的廣義坐標(biāo)向量和廣義速度向量,設(shè)置網(wǎng)格模型的外部載荷及邊界條件,基于網(wǎng)格模型的邊界條件,建立網(wǎng)格模型的約束方程,并設(shè)置仿真總時(shí)長t以及仿真時(shí)間步長h。該環(huán)形桁架索網(wǎng)天線仿真總時(shí)長為500s,仿真時(shí)間步長設(shè)為1e-4s。其中外部載荷為索網(wǎng)的預(yù)張力,約束為索網(wǎng)和桁架之間的鉸接、桁架桿件之間的運(yùn)動(dòng)副以及桁架與伸展臂之間的固接。下面簡要介紹三種主要運(yùn)動(dòng)副的建模:旋轉(zhuǎn)鉸約束、同步齒輪約束和移動(dòng)副約束。
其中關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)鉸約束建立方式如下:對旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)處建立剛性的軸承軸瓦模型,如圖4所示。剛性的軸承與軸瓦與相連接的構(gòu)件之間為固定連接,則相連構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)可以通過軸承軸瓦的相對轉(zhuǎn)動(dòng)來描述。采用自然坐標(biāo)描述的軸承軸瓦之間的旋轉(zhuǎn)鉸約束方程可表示為:
其中φ1為旋轉(zhuǎn)鉸約束,分別由位移約束φ1和旋轉(zhuǎn)角約束φ2組成。
其中l(wèi)b和lj分別是軸承和軸瓦的長度,ub和vb是位于軸瓦端點(diǎn)b的單位向量,uj和vj是位于軸承端點(diǎn)j的單位向量。
同步齒輪約束建立方式如下:
如圖5所示,同步齒輪約束保證相鄰兩個(gè)面的展開角度一致,即第一跨的橫桿(ab桿)與豎桿之間的夾角和第二跨的橫桿(cd桿)與豎桿之間的夾角相等,其具體的約束方程見下式:
其中φ2為同步齒輪約束,
如圖6所示,移動(dòng)副約束建立如下:移動(dòng)副約束需保證細(xì)桿gh能在粗桿ef中自由滑動(dòng),同時(shí)細(xì)桿與粗桿在桁架展開任意位置時(shí)均在四邊形abcd內(nèi)。其具體的約束方程見下式:
其中φ3為移動(dòng)副約束。φ3保證e點(diǎn)與a點(diǎn)重合,c點(diǎn)與g點(diǎn)重合,其中ra、re、rc和rg分別為點(diǎn)a、e、c和g在全局坐標(biāo)系下的位置坐標(biāo)。φ4保證兩斜桿能相互滑動(dòng),其中
步驟105:根據(jù)步驟102-104獲得的網(wǎng)格單元類型、廣義坐標(biāo)向量、廣義速度向量和約束方程,基于第一類拉格朗日方程建立多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程,如下:
其中m為系統(tǒng)質(zhì)量陣,
步驟106:利用廣義-alpha隱式時(shí)間積分算法,對所建的多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行時(shí)域離散,獲得時(shí)域離散后的多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程,采用newton-rapson迭代對離散后的多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行迭代,并對迭代過程中生成的線性方程組進(jìn)行并行求解,輸出廣義坐標(biāo)向量q以及拉格朗日乘子向量λ。
如圖7所示,步驟601-603描述了所述步驟106,具體為:
步驟601:根據(jù)步驟105得到多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程,應(yīng)用廣義-alpha隱式時(shí)間積分算法進(jìn)行如下離散:
其中
式(7)中,β和γ為決定計(jì)算精度與效率的算法參數(shù),取γ≥1/2和β≥(1/2+γ)2/4。n為迭代次數(shù),h為時(shí)間積分步長,為了耗散系統(tǒng)高頻響應(yīng),引入新的算法矢量參數(shù)a,其中矢量參數(shù)a滿足關(guān)系:
式(7)和式(8)中各參數(shù)的選取方法如下:
其中
步驟602:將式(7)帶入式(6)得到離散形式的非線性方程組,并對非線性方程組進(jìn)行求解得到廣義坐標(biāo)向量qn+1、廣義速度向量
步驟603:根據(jù)步驟602判斷時(shí)間tn+1是否小于總仿真時(shí)間t,若當(dāng)前時(shí)間tn+1不小于總仿真時(shí)間t,則計(jì)算停止;否則,n自動(dòng)加1,令時(shí)間tn+1=tn+h重復(fù)執(zhí)行步驟601-603,計(jì)算廣義坐標(biāo)向量qn+1、廣義速度向量
如圖8所示,步驟6021-6025進(jìn)一步地描述了步驟602,具體為:
步驟6021:設(shè)置求解精度tol;
步驟6022:采用newton-rapson迭代求解公式(6),獲得如下線性代數(shù)方程組:
其中δq和δλ是當(dāng)前時(shí)刻t系統(tǒng)廣義坐標(biāo)向量和拉格朗日乘子向量的增量,其中
其中,
步驟6023:根據(jù)步驟6021獲得的線性方程組計(jì)算當(dāng)前殘差向量的模r;
其中,||·||為模;
步驟6024:根據(jù)步驟6022對線性方程組的求解更新當(dāng)前廣義坐標(biāo)向量以及拉格朗日乘子向量;
步驟6025:根據(jù)步驟6023獲得的殘差向量模判斷迭代結(jié)果是否收斂,若r>tol,則根據(jù)步驟6024更新獲得的廣義坐標(biāo)向量以及拉格朗日乘子向量,重復(fù)執(zhí)行步驟6022-6025,直至r<tol或r=tol,輸出步驟6024獲得的廣義坐標(biāo)向量q以及拉格朗日乘子向量λ,并存儲。至此完成對某環(huán)形桁架索網(wǎng)天線機(jī)構(gòu)展開動(dòng)力學(xué)建模與高效計(jì)算。圖9給出了某環(huán)形桁架天線展開過程中6個(gè)指定時(shí)刻的系統(tǒng)構(gòu)型,該圖明顯展示了環(huán)形桁架天線展開過程中的不同步現(xiàn)象相應(yīng)的地面試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該數(shù)值仿真結(jié)果的有效性。
綜上所述,以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已,并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi),所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等,均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。