基于虛擬樣機(jī)的接觸碰撞動(dòng)力學(xué)仿真研究.pdf

1、全篇論文以基于虛擬樣機(jī)的具有接觸碰撞的多體系統(tǒng)為研究對(duì)象,通過建立系統(tǒng)級(jí)的力學(xué)模型和部件之間的接觸模型,開發(fā)了包含參數(shù)化曲線、曲面的接觸碰撞算法,并以運(yùn)動(dòng)仿真的形式求解這類具有非線性、非完整約束系統(tǒng)內(nèi)部物體的接觸力,從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、各個(gè)部件的受力狀況、接觸部分的應(yīng)力和應(yīng)變、以及柔性部件的振動(dòng)等動(dòng)力學(xué)問題的分析.文章首先對(duì)多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真的理論與方法進(jìn)行了研究,并提出了基于虛擬樣機(jī)的接觸碰撞仿真策略.針對(duì)多體系統(tǒng)中的剛體

2、和柔性體兩類模型,分析了部件上任意接觸受力點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)特性,描述了廣義坐標(biāo)的系統(tǒng)組集,并給出了部件及其屬性的類對(duì)象定義.針對(duì)柔性體部件,引入了Guyan縮減法對(duì)約束副處的冗余自由度進(jìn)行縮并,利用假設(shè)模態(tài)法和Craig-Bampton模態(tài)綜合技術(shù)來(lái)研究接觸碰撞中柔性體的應(yīng)力、應(yīng)變和局部變形.通過采用穩(wěn)定、高效的SI2積分求解器,保證了仿真計(jì)算的數(shù)值收斂性.面向自由曲線、曲面的接觸碰撞算法是求解系統(tǒng)各部分動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的關(guān)鍵.針對(duì)平面輪廓曲線

3、的接觸碰撞問題,文章提出了基于運(yùn)動(dòng)的NURBS曲線接觸算法.該算法的核心是利用基函數(shù)節(jié)點(diǎn)區(qū)間的局部支承性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)接觸搜索的區(qū)域優(yōu)化,以實(shí)時(shí)的接觸搜索來(lái)減少節(jié)點(diǎn)副的計(jì)算數(shù)目.曲線模型必須先進(jìn)行均勻參數(shù)化分割以形成若干曲線段,仿真初始化時(shí)要進(jìn)行全局搜索以確定局部映射區(qū)域,并通過映射區(qū)域列表實(shí)現(xiàn)從全局搜索到局部搜索的轉(zhuǎn)換.根據(jù)主、被動(dòng)體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系(平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和平面運(yùn)動(dòng)),通過設(shè)置搜索區(qū)域的判斷分支并以仿真迭代的形式實(shí)現(xiàn)該接觸算法.其優(yōu)點(diǎn)是

4、極大地提高了仿真效率,并避免了因分段處理曲線之間的接觸碰撞而產(chǎn)生的運(yùn)算組合爆炸現(xiàn)象.進(jìn)一步的研究以具有復(fù)雜曲面輪廓的物體接觸碰撞為對(duì)象,在雙參數(shù)曲線形成曲面網(wǎng)格的造型基礎(chǔ)上,該文提出了融合全局搜索和局部搜索的PMNS(Pre-mapping & Node-to-Segment Algorithm)算法.PMNS算法中的預(yù)映射過程是對(duì)全局搜索區(qū)域的縮減,點(diǎn)面求交過程是局部搜索的細(xì)化.在全局搜索中采用了近似斜拋運(yùn)動(dòng)的方法確定映射點(diǎn),而局部搜

5、索中的點(diǎn)面求交則是為了判斷具體的接觸位置.算法突破了傳統(tǒng)的四叉樹、鏈表技術(shù)等分級(jí)化方法,通過實(shí)時(shí)的區(qū)域搜索大大減少了計(jì)算量.采用基函數(shù)局部節(jié)點(diǎn)壓縮法比傳統(tǒng)的線性參數(shù)化方法更能逼近原始曲面,還消除了邊界的法矢多義性.在接觸力算法中,該文利用顯式罰函數(shù)法創(chuàng)建了節(jié)點(diǎn)副接觸碰撞的力學(xué)模型,并基于庫(kù)恩-塔克條件(Kuhn-Tucker Conditions)建立了包含連續(xù)接觸和間斷接觸的摩擦力方程組.該方程組由高階可導(dǎo)的分段插值多項(xiàng)式表達(dá),仿真中