空间站柔性展开机构仿真方法研究

空间站展开机构是典型的大型多柔体系统，其展开收拢过程涉及非线性大变形以及接触碰撞问题。首先采用绝对节点坐标法作为柔性体的建模方法，建立了梁单元的有限元单元格式，然后基于拉格朗日方法和Hertz接触理论建立了考虑接触碰撞问题的柔性多体系统动力学方程，采用向后差分方法数值求解柔性多体系统的微分代数方程，最后以自由梁、简支梁和柔性单摆进行数学仿真验证。结果表明，该方法可用作我国空间站大型柔性太阳电池翼的设计分析参考。     

一种考虑截面任意变形模式梁的有限元模型

提出了一种考虑截面完整变形的截面插值梁模型,并用于机翼结构的建模与分析。首先引入截面插值函数——拉格朗日函数描述截面形状,以位移向量为未知变量描述截面位移,在此基础上依据插值理论构造梁单元位移场。不同于传统梁单元通过假定的中性轴的挠度和转角来确定梁截面各点位移,该梁模型摒弃了中性轴假设与平截面假设,通过截面插值函数得到梁截面面内、面外变形;然后通过有限元理论推导了梁单元刚度矩阵与质量矩阵;最后利用截面插值梁单元对机翼各部件进行有限元建模,并展开典型工况下的静力学分析以及动力学分析,与Nastran实体单元计算结果进行了对比分析,验证了该梁模型的有效性,为机翼的结构设计和强度分析提供了一种新的简化建模方法。     

直升机旋翼桨叶截面刚度的有限元计算

本文利用线性二维截面分析模型,在方程的建立和推导中综合考虑了直升机旋翼桨叶梁的变形特点,和梁截面的面内和面外翘曲对梁截面刚度的影响。在此基础上编制了具有多个不同节点单元可用于计算各向异性材料的旋翼桨叶截面刚度的有限元软件,用复合材料盒形梁作为算例并与ＮＡＢＳＡ的结果比较表明该方法及编制的软件正确可靠。     

基于ANCF的松弛绳索动力学建模与仿真

传统绝对节点坐标方法(ANCF)绳索模型是基于梁单元建立的,其不能反映纤维绳索的不可抗压和松弛特性。考虑纤维绳索初始松弛余量,给出了绳索非线性轴向应力-应变关系。绳索在松弛状态下轴向力接近于零,在张紧状态下表现出线弹性特性。在此基础上,采用绝对节点坐标方法推导了松弛绳索动力学模型。通过静力学和动力学仿真,将传统绳索模型和松弛绳索模型进行对比,结果表明:在重力及不同集中载荷作用下,松弛绳索相比于传统绳索都具有更大的变形;分析移除集中载荷后绳索的动力学响应可知,传统绳索在振动过程中始终处于张紧状态,且绳索上各点振动同步,而松弛绳索会在张紧和松弛状态之间不断转换,绳索上各点的振动存在相位差,能够更好地反映绳索在松弛状态下的动力学特性。     

高度修正实现刚度等效的梁结构有限元建模方法

民用飞机中对于梁结构的有限元建模,一般采用刚度等效方法将梁建成杆单元与剪切板单元的组合形式,这种有限元简化方法仅能保证截面刚度与真实截面刚度近似等效,但有限元中的截面面积与实际面积却相差较大,致使有限元分析的结果不能准确反映结构严重部位的应力情况。针对传统刚度等效有限元建模方法的不足,提出一种采用高度修正的刚度等效有限元建模方法;将该方法的计算结果与传统建模方法的计算结果、理论计算结果、试验测量结果进行对比。结果表明：本文提出的高度修正的有限元建模方法比传统杆板系建模方法更准确,与试验结果更接近。将该方法用于民用飞机结构有限元建模,能够对真实结构进行更准确地模拟,分析结果也更精确,对民用飞机结构的强度分析和安全保障具有重要的意义。     

空中加油系统的多体动力学和CFD仿真

介绍了作者基于Fortran程序开发的一个多体动力学求解器.依托多刚体系统理论、基于绝对节点坐标(ANCF)法描述的常质量/变质量索梁单元和计算多体动力学方程组求解技术,该求解器可用于分析飞行器拖曳结构中的索-刚体约束系统的动力学问题.本文基于并行CFD求解器PMB3D的动态重叠网格功能,构建了多体动力学和计算流体力学的非定常耦合计算程序.以软式空中加油系统为例,对真实外形飞行器拖曳系统的气动-动力学特性进行了仿真研究.探讨了战斗机构型进行软式加油对接时产生的气动干扰问题,研究了受油机的接近速度和初始偏移量对对接效果的影响.     

基于浸润边界-格子波尔兹曼通量求解器的柔性结构流固耦合数值模拟

浸润边界-格子玻尔兹曼通量求解器(Immersed Boundary-Lattice Boltzmann Flux Solver,IB-LBFS)在处理复杂动态边界流动中具有计算精度高和灵活性强的特点,可应用于柔性体流固耦合数值模拟中。本文对IB-LBFS进行了算法效率上的优化改进,设计和实现了并行计算能力,使之可求解具有较大规模网格的流动问题,且通过旋转球体的绕流计算进行了验证。在此基础上,通过应用基于绝对节点坐标法的柔性结构动力学方法,与IB-LBFS结合,建立了可处理大变形柔性结构的流固耦合问题的数值模拟平台,通过旗帜摆动问题和固支板受流体载荷的弯曲变形问题验证并实现了大变形柔性结构的流固耦合高效仿真。     

运动导弹激励下柔性导轨振动的多体动力学分析法

针对导弹轨式发射采用柔性接触进行动力学建模后计算稳定性差、结构复杂时计算规模大的问题,提出了一种用能随柔性导轨变形的柔性点线约束来替代导弹定向钮与导轨之间接触关系的建模方法;基于有限元模型、单段导轨多体动力学模型和多段拼接导轨多体动力学模型的模态和静态对比分析,验证并消除了应力刚化效应的影响;在考虑导轨应力刚化效应的前提下构建了运动导弹激励下柔性导轨振动的多体动力学模型。仿真结果表明,该方法不仅可以有效解决柔性体接触算法计算量大、计算稳定性差等问题,而且也具有较好的仿真精度。该方法可为复杂导弹发射系统发射过程的多柔体动力学建模提供可行的简化途径。     

基于PSO优化算法的空间机械臂振动抑制研究

针对空间柔性机械臂的末端残余振动抑制问题,提出了一种基于逆运动学分析和粒子群优化算法的柔性机械臂笛卡尔空间轨迹规划和振动抑制的新方法。采用自然坐标法和绝对节点坐标法分别对柔性关节、柔性臂杆进行动力学建模,最终得到全面考虑柔性特性的柔性机械臂动力学模型;针对机械臂末端笛卡尔空间"点到点"和"静止到静止"的规划运动,采用五次多项式函数对末端轨迹进行离散规划,并通过逆运动学理论分析求解得到含冗余参数的关节空间电机转动轨迹;采用粒子群优化算法(PSO),将满足机械臂末端振动最小化的轨迹规划问题转换为待定冗余参数的优化问题,并迭代优化求解该参数;最后以三自由度柔性机械臂开展仿真研究。仿真结果表明,提出的规划方法具有很高的收敛速度,节约了计算时间;能够实现预定的机械臂轨迹规划;对机械臂末端点的残余振动能够进行有效地抑制。     

视觉物质点跟踪方法在柔索模型验证中的应用

空间柔性绳索在航天航空领域有着广泛的应用,柔性绳索具有结构大、刚度低、大变形的特t点,在做大范围运动时位移、转动与弹性变形相互耦合,增大了其动力学建模的难度。为验证柔性绳索动力学模型的准确性,采用非接触式的视觉测量方法进行实验验证,利用背景建模、差分、平滑与二值化一系列图像预处理方法提取绳索目标区域,并基于距离变换的多尺度连通骨架算法计算出绳索中心线,通过求解相机外参数矩阵计算出绳索中心线的平面位置。由于柔索自身灰度均匀,图像特征不明显,无法对绳索上特定位置进行跟踪,现有方法都在测量对象上粘贴或喷涂特征点,对于质量轻、弯曲刚度小的柔索,这种方法会影响柔索自身的动力学特性,因此提出一种适应绳索弯曲及纵向弹性形变的物质点跟踪算法,能够不借助外加特征的情况下,对绳索上任意给定物质点进行跟踪计算。以基于绝对节点坐标方法建立的柔索动力学模型为例验证其模型的准确性,结果表明,该绳索动力学模型仿真结果与实验结果具有较强的一致性。相比于其他测量方法,物质点跟踪算法能够降低柔索测量过程中的外干扰因素,为动力学模型验证提供准确的实验参考结果。     

Deployment dynamic analysis of deployable antennas considering thermal effect

Dynamic analysis of flexible multibody systems is complex. Several successful methods have been demonstrated. However, few works discussed the dynamic performance of the flexible multibody under different temperatures. This paper uses the absolute nodal coordinate formulation to analyze the flexible body dynamics of deployment structures under different temperatures to simulate space environments. The dynamic equations of finite element in temperature field are developed. Then a computer-aided simulation of flexible multibody systems in temperature field is implemented. A general four-bar mechanism under different temperatures as a simulation example is demonstrated, and the deployment characteristics of a special four-bar mechanism as a basic module of the hoop truss deployable antenna is analyzed under different temperatures in order to evaluate the dynamic performance of the deployable antenna in space environments. The simulation results indicate the influence factors of deployment dynamic characteristics include the structural form, material properties, geometric parameters and deployment planning in ambient and thermal/vacuum environments.     

Shape Modification by Beam Model in FEM

Shape modification and deformation play an important role in the filed of geometry modeling, computer graphics, conceptual design and so on. A novel physically based shape modification approach is presented in this article, with beam model in finite element method (FEM). By means of interactively creating a beam with circle cross section based on pre-defined local coordinate system, the primitive geometry model is embedded in the beam globally or locally. After imposing external loads, such as concentrated force or couple, on selected nodes, their displacement can be computed. Moreover, deflection, axial deformation and twist angle of beam model can also be interpolated using shape function matrix. As a result, object is modified as a part of beam. The proposed approach is linear, simple and fast, by which stretch, bending, taping and twist deformation can be accomplished. Finally, some experimental results are given to demonstrate that the presented method is potentially useful in geometry modeling and shape design.     

Analysis of an arbitrarily loaded shell of revolution based on the finite element method in a mixed formulation

The volume finite element in the form of hexahedron with nodal unknowns as components of the displacement vector and stress tensor has been developed to analyze the shells of revolution. The displacement vector components for the inner point of the finite element and the components of its stress tensor are expressed through the nodal unknowns using the method of vector and tensor fields interpolation by the trilinear shape functions; that provides taking into account the finite element displacement as a whole solid. The variational principle in a mixed formulation is applied to form the matrix of hexahedron deformation. The efficiency of the proposed method for approximating the values being sought as vector and tensor fields in comparison with the traditional method for approximating the values being sought as scalar fields is confirmed by a numerical example.     

大展弦比大柔性机翼载荷分布求解的一种方法

大展弦比大柔性机翼在气动力作用下产生较大的弯曲和扭转变形,会引起明显的气动载荷重新分布。基于一种只具有2个广义转角自由度的梁单元模型,提出了一种大展弦比大柔性机翼载荷重新分布的新方法。该方法将大柔性机翼弯曲变形的几何非线性问题转化为线性问题,同时,基于弯曲变形结果,可在局部坐标系下进行机翼扭转变形求解,避免了整体坐标系下扭转变形的几何非线性问题。综合来看,该方法可将具有明显几何非线性效应的大展弦比大柔性机翼的载荷重新分布问题转化为线性问题,且计算量小,效率高,非常适合工程实用。通过与大柔性悬臂梁解析解的对比,验证了本文方法的正确性和有效性。     

基于光学几何测量的整体叶盘几何失谐建模与辨识

通过光学几何测量技术获取精确的叶片型面差异化信息（即几何失谐）建立整体叶盘的高保真动力学模型的方法，并进一步开展整体叶盘几何失谐辨识的研究。采用先进的三维结构蓝光扫描系统测量构建精确的叶片几何型面点云模型，然后采用网格变形技术，将谐调叶片有限元模型的表面节点自动投射至实测的点云表面，以回避传统逆向工程的实体模型重建环节，从而实现整体叶盘高保真动力学模型的快速构建。该模型可直接用于量化识别叶片几何失谐对其固有频率和振型的影响，其中各叶片“一弯”频率失谐量在2.1%以内，同时可以精确比对各叶片间的模态置信因子，因此可大幅提高整体叶盘建模和动力学仿真分析的准确性。     

Solving a plane problem of elasticity theory with the use of a hybrid FEM formulation

In the framework of a plane problem of elasticity theory in strength analysis based on the finite element method in the hybrid formulation, we suggest that the approximation of displacements and stresses be used as magnitudes of vector and tensor fields, respectively. The quadrilateral finite element, the displacements and stresses of which are accepted as nodal unknowns is proposed. The mixed Reissner functional is applied to form a finite element deformation matrix.     

基于Hypermesh的增强功能镜像工具开发

有限元建模往往是非常繁琐的过程,前处理软件的镜像功能可以大幅提高对称结构的建模效率,然而对于常用的前处理软件来说,尚没有一种可以完全（或完整）的将节点和单元编号进行偏移并保留单元属性、保留梁单元端点偏置和单元坐标系Y、Z轴的镜像功能。对复杂模型来说,手动对节点或单元重新编号或重新赋属性的工作量是巨大的。介绍了基于Hypermesh环境,利用TCL/TK语言开发的增强功能的镜像工具。通过两个实例验证,该程序可以提高有限元建模工作效率,减少繁琐的重复性工作。