柔性多体系统的运动变形描述
多柔体系统动力学建模理论及其应用
收稿日期:20010226作者简介:仲 昕(1973-),女(汉),山东,博士生E 2m ail :xinzhong 99@sina .com 仲 昕文章编号:100328728(2002)0320387203多柔体系统动力学建模理论及其应用仲 昕,杨汝清,徐正飞,高建华(上海交通大学机器人研究所,上海 200030)摘 要:以往对机械系统进行动力学分析,要么将其抽象为集中质量—弹簧—阻尼系统,要么将其中的每个物体都看作是不变形的刚性体,但如果系统中有一些物体必须计及其变形,就必须对机械系统建立多柔体模型。
本文阐述了柔性体建模理论,并用汽车前悬架多柔体模型进行举例说明。
结果表明多柔体模型的仿真结果较多刚体动力学模型的仿真结果更接近道路试验数据结果,充分验证了多柔体建模的必要性和有效性。
关 键 词:多柔体模型;柔性体建模理论中图分类号:TH 122 文献标识码:AD ynam ic M odeli ng of M ulti -Flex ible Syste m ——Theory and Applica tionZHON G X in ,YAN G R u 2qing ,XU Zheng 2fei ,GAO J ian 2hua (In stitu te of Robo tics ,Shanghai J iao tong U n iversity ,Shanghai 200030)Abstract :In dynam ic analyses of a m echan ical system ,it is often ab stracted as a cen tralized m ass 2sp ring 2damper system ,o r every part in the system is regarded as a rigid body .How ever ,if som e parts defo rm obvi ou sly and their defo rm ati on m u st be taken in to con siderati on ,the m echan ical system m u st be modeled as a m u lti 2flex ib le body .In th is paper ,the flex ib le body modeling theo ry is demon strated firstly .T hen ,an examp le of modeling a k ind of au tomob ile’s fron t su spen si on as a m u lti 2flex ib le system is show n .F inally ,it is show n that the si m u lati on resu lts of m u lti 2flex ib le dynam ic model agree w ith the road test data mo re than tho se of m u lti 2rigid dynam ic model do .T hu s ,it is fu lly testified that u sing m u lti 2flex ib le body theo ry to model is necessary and effective .Key words :M u lti 2flex ib le body ;F lex ib le body modeling theo ry 机械系统一般是由若干个物体组成,通过一系列的几何约束联结起来以完成预期动作的一个整体,因此也可以把整个机械系统叫做多体系统。
【2019年整理】第2章多体系统动力学基本理论
多刚体系统动力学是基于经典力学理论的，多体系统中最简单的情况——自由质点和一般简单的情况——少数多个刚体，是经典力学的研究内容。多刚体系统动力学就是为多个刚体组成的复杂系统的运动学和动力学分析建立适宜于计算机程序求解的数学模型，并寻求高效、稳定的数值求解方法。由经典力学逐步发展形成了多刚体系统动力学，在发展过程中形成了各具特色的多个流派。
在国内召开的关于多体系统动力学方面的重要会议主要有：
1986年由中国力学学会一般力学专业委员会在北京主持召开“多刚体系统动力学”研讨会。
1988年在长春召开“柔性多体系统动力学研讨会”。
1992年在上海召开“全国多体系统动力学—理论、计算方法与应用学术会议”。
1996年由中国力学学会一般力学专业委员会与中国空间学会空间机械委员会联合在山东长岛召开“全国多体系统动力学与控制学术会议”。
变分方法是不同于矢量力学或分析力学的另一类分析方法，高斯最小拘束原理是变分方法的基本原理，保保夫和里洛夫从这一原理出发发展了两种不同风格的计算方法。该方法有利于结合控制系统的优化进行综合分析，而且由于其不受铰的约束数目的影响，适用于带多个闭环的复杂系统。
这几种方法构成了早期多刚体系统动力学的主要内容，借助计算机数值分析技术，可以解决由多个物体组成的复杂机械系统动力学分析问题。但是多体系统动力学在建模与求解方面的自动化程度，相对于结构有限元分析的成熟来说相差甚远。正是为了解决多体系统动力学建模与求解的自动化问题，美国Chace和Haug于80年代提出了适宜于计算机自动建模与求解的多刚体系统笛卡尔建模方法，这种方法不同于以罗伯森-维滕堡方法为代表的拉格朗日方法，它是为以系统中每个物体为单元，建立固结在刚体上的坐标系，刚体的位置相对于一个公共参考基进行定义，其位置坐标统一为刚体坐标系基点的笛卡尔坐标与坐标系的方位坐标，再根据铰约束和动力学原理建立系统的数学模型进行求解。
柔体动力学介绍
柔体动力学介绍一、KED （Kineto-Elastodynamics ）法KED 法，即运动弹性动力学，由美国学者Erdman 和Sandor 提出。
该方法的研究始于上个世纪60年代，早期研究者仅把部件（一般是一个，如四杆机构的连杆）看作是柔性的，并且只考虑其一种变形（如杆件的弯曲变形），方程中也引入较多假设。
70年代初期，Erdman 和Sandor 将结构动力学中的有限元方法移植到机构分析中来，克服了模型过于简单的缺陷。
我国自80年代初开始研究机构弹性力学，学者张策对KED 法做了大量研究。
KED 法在分析机构的真实运动时，均假设：与采用刚性机构的运动分析法的到的机构名义运动的位移相比，由构件变形引起的弹性位移很小；这种弹性位移不会影响机构的名义运动。
依据上述假设，机构真实运动的位移可以看作是名义运动的位移和弹性位移的叠加。
名义运动可以用刚体机构运动和动力学分析方法求出，弹性位移则用弹性动力学分析方法求出。
为了使所建模型较准确反应原机构系统的特性，现在普遍采用“子结构分析方法”，即把系统按结构划分为子结构单元，然后建立单元和子结构的运动方程，最后将单元和子结构的运动方程组合成系统的运动方程。
对于连续体的离散，有1）集中参数模型2）有限元模型两种建模方法。
以一个简单例子为例： 一般弹性动力学方程为：()()()()+=++=+-rr r rf f e v r rff f ff f e v fr rf f M y M y q q M y K y q q M y其中，第一个方程描述的是机构的刚体动力学方程，第二个方程描述的是机构的结构振动方程。
r y 表示机构广义刚体位移，f y 表示机构广义弹性位移，e q 表示机构所受外力，v q 表示机构的科氏力和离心力。
对于KED 方法，变形对刚体运动的影响忽略不计，因此，忽略耦合项，上述方程变为：()()()=+=+-rr r e rff f ff f e v fr rf f M y q M y K y q q M y从上式可以看出，由于KED 方法的假设，使方程得到很大的化简，提高了计算效率，此方法对于作大范围刚体运动，机构刚度大（即弹性变形小的系统）适用。
柔性多体系统动力学讲稿(theory)
多体动力学摘要采用笛卡尔绝对坐标通过动静法建立多刚体系统的动力学方程。
目录I 问题概述 (3)1. 多体系统仿真模型 (3)2. 静力学问题 (4)3. 运动学问题 (4)4. 动力学问题 (4)II 基本概念和公式 (4)5. 参照物 (4)6. 矢量 (5)6.1 矢量的定义及符号 (5)6.2 矢量的基本运算 (5)6.3 单位矢量的定义及符号 (6)6.4 零矢量的定义及符号 (6)6.5 平移规则 (6)7. 坐标系 (7)8. 矢量在坐标系内的表示 (8)9. 方向余弦矩阵 (10)10. 欧拉角 (13)11. 刚体的位置和姿态坐标 (15)12. 矢量在某参照物内对时间的导数 (16)13. 角速度 (17)14. 简单角速度 (17)15. 刚体上固定矢量在某参照物内对时间的导数 (18)16. 矢量在两参照物内对时间导数的关系 (20)17. 角速度叠加原理 (21)18. 角加速度 (22)19. 角速度与欧拉角对时间导数的关系 (23)20. 动点的速度和加速度 (25)21. 刚体上两固定点的速度与加速度 (26)22. 相对刚体运动的点的速度和加速度 (27)23. 并矢 (28)24. 刚体惯性力向质心简化的主矢和主矩 (30)25. 约束 (33)25.1滑移铰 (34)25.2 旋转铰 (34)25.3 圆柱铰 (35)25.4 球铰 (36)25.5 平面铰 (36)25.6 固定铰 (37)25.7 点在线约束 (37)25.8 点在面约束 (38)25.9 姿态约束 (39)25.10 平行约束 (39)25.11垂直约束 (40)25.12 等速万向节 (41)25.13 虎克铰 (41)25.14 万向节 (42)25.15 关联约束 (43)26. 弹簧力的计算 (45)27. 阻尼力的计算 (46)III 问题求解 (47)28.Macpherson悬架多体系统动力学方程DAEs的建立 (47)29. DAEs的简单解法 (48)参考文献 (49)I 问题概述1. 多体系统仿真模型型：左面有5个物体： ● 下控制臂 ● 转向节 ● 轮毂 ● 上滑柱 ● 转向横拉杆 左面约束有7个：● 下控制臂与车身间的旋转铰 ● 下控制臂与转向节间的球铰 ● 转向节与轮毂间的旋转铰 ● 转向节与上滑柱间的滑移铰 ● 上滑柱与车身间的球铰● 转向节与转向横拉杆间的球铰● 转向横拉杆与转向齿条(这里固定于车身)间的虎克铰左面力有7个：● 转向节与上滑柱间的弹簧力 ● 转向节与上滑柱间的阻尼力 ● 五个物体的重力采用笛卡尔绝对坐标运用多体动力学的基本公式和动静法可以建立Macpherson 悬架的多体系统数学模型（DAEs ）。
多体动力学软件和有限元软件的区别(优.选)
有限元软件与多体动力学软件数值分析技术与传统力学的结合在结构力学领域取得了辉煌的成就，出现了以ANSYS 、NASTRAN 等为代表的应用极为广泛的结构有限元分析软件。
计算机技术在机构的静力学分析、运动学分析、动力学分析以及控制系统分析上的应用，则在二十世纪八十年代形成了计算多体系统动力学，并产生了以ADAMS 和DADS 为代表的动力学分析软件。
两者共同构成计算机辅助工程（CAE ）技术的重要内容。
商业通用软件的广泛应用给我们工程师带来了极大的便利，很多时候我们不需要精通工程问题中的力学原理，依然可以通过商业软件来解决问题，不过理论基础的缺失还是会给我们带来不少的困扰。
随着动力有限元与柔性多体系统分析方法的成熟，有时候正确区分两者并不是很容易。
机械领域应用比较广泛的有两类软件，一类是有限元软件，代表的有：ANSYS, NASTRAN, ABAQUS, LS-DYNA, Dytran 等；另一类是多体动力学软件，代表的有ADAMS, Recurdyn ， Simpack 等。
在使用时，如何选用这两类软件并不难，但是如果深究这两类软件根本区别并不容易。
例如，有限元软件可以分析静力学问题，也可以分析“动力学”问题，这里的“动力学”与多体动力学软件里面的动力学一样吗？有限元软件在分析动力学问题时，可以模拟物体的运动，它与多体动力学软件中模拟物体运动相同吗？多体动力学软件也可以分析柔性体的应力、应变等，这与有限元软件分析等价吗？1 有限元软件有限单元法是一种数学方法，不仅可以计算力学问题，还可以计算声学，热，磁等多种问题，我们这里只探讨有限元法在机械领域的应用。
计算结构应力、应变等的力学基础是弹性力学，弹性力学亦称为弹性理论，主要研究弹性体在外力作用或温度变化等外界因素下所产生的应力、应变和位移，从而为工程结构或构件的强度、刚度设计提供理论依据和计算方法。
也就是说用有限元软件分析力学问题时，是用有限元法计算依据弹性力学列出的方程。
ADAMS柔性体运动仿真分析及运用
ADAMS柔性体运动仿真分析及运用摘要：ADAMS（Automated Dynamic Analysis of Mechanical Systems）是一种用于机械系统运动仿真分析的软件工具，它可以模拟复杂的运动和多体动力学行为。
本文介绍了ADAMS软件及其在柔性体运动仿真分析中的应用，包括柔性体建模、刚-柔耦合系统模拟、柔性体动力学分析和柔性体控制策略等方面。
1.引言ADAMS是一种用于机械系统运动仿真分析的软件工具，由美国MSC Software公司开发。
它可以模拟复杂的运动和多体动力学行为，广泛应用于机械系统设计、优化和性能评估等领域。
柔性体是一种具有形变和弯曲等特性的物质，出现在很多工程和机械系统中。
ADAMS软件能够对柔性体运动进行仿真分析，帮助工程师更好地理解和预测柔性体系统的运动行为。
2.ADAMS柔性体建模在ADAMS中，柔性体可以通过素材法（Material Subsystem）进行建模。
素材法是一种基于连续介质力学的方法，将物体划分为多个微小单元，并根据其材料性质和力学行为进行建模。
通过调整单元的尺寸和连接方式，可以模拟各种不同的柔性体结构和形变行为。
3.刚-柔耦合系统模拟在实际工程中，往往存在着刚体和柔性体相互作用的情况，这就需要进行刚-柔耦合的系统模拟。
ADAMS可以通过使用接触、连接和约束等功能来实现刚-柔耦合系统的建模。
例如，在汽车悬挂系统中，车轮和车身之间存在接触和连接关系，同时车身又是一个柔性体，这就需要通过ADAMS进行刚-柔耦合系统模拟。
4.柔性体动力学分析ADAMS可以对柔性体系统进行动力学分析，包括振动分析、形变分析和动态响应分析等。
通过设置初始条件和加载条件，可以对柔性体系统的运动行为进行模拟和分析。
例如，在机械臂系统中，可以通过ADAMS对机械臂的振动和形变进行分析，进而优化机械臂的结构设计和控制策略。
5.柔性体控制策略在柔性体系统中，控制策略对于保持系统的稳定性和精确性起着重要作用。
装备仿真建模技术-概述说明以及解释
装备仿真建模技术-概述说明以及解释1.引言1.1 概述装备仿真建模技术是一种通过使用计算机软件和硬件技术来模拟、分析和预测特定装备的性能和行为的方法。
这一技术的发展源于对装备设计、测试和操作的需求，旨在提供更加精确、有效的装备研发和评估手段。
装备仿真建模技术能够将真实装备系统的物理特性、运动行为和交互过程转化为数字模型，并在计算机环境下进行各种测试、实验和模拟。
通过精确建立装备的模型，可以对其进行多种情景和工况的模拟，进而评估和优化装备的性能、功能和可靠性。
这种模拟和评估的过程可以在装备设计的早期阶段进行，从而为设计师提供参考和指导，减少试错成本和时间。
装备仿真建模技术的核心是建立逼真、准确的数学模型。
这些模型通常是基于物理原理、工程知识和实验数据进行构建和校准的。
通过使用各种仿真软件和工具，可以对装备的结构、材料特性、传动系统、动力系统、控制系统等进行建模，并模拟各种工况下的装备性能和行为变化。
这种模型可以是简化的或复杂的，取决于所需的精度和细节程度。
同时，仿真建模技术还可以支持多种仿真方法和算法，如有限元法、多体动力学、基于物理参数的建模等，以满足不同装备仿真需求的要求。
装备仿真建模技术在军事、航空航天、汽车、船舶、工业设备等领域具有广泛的应用。
例如，在军事领域，装备仿真技术可以模拟战斗环境和战术行动，评估武器系统的效能和效果，辅助作战方案的制定和决策；在航空航天领域，装备仿真建模技术可以评估飞机的飞行性能、操纵特性和机载系统的性能，辅助飞机设计和测试；在汽车工业领域，装备仿真技术可以模拟车辆的运动学、悬挂系统、发动机性能等，优化车辆的性能和节能减排。
总之，装备仿真建模技术是一种强大的工具，可以通过数字模型的建立和仿真模拟的方式，帮助我们更好地理解装备系统的特性和行为，优化装备设计和性能，提高装备的可靠性和效能。
它在不同领域和应用中具有广泛的应用前景，将为装备研发和评估带来深远的影响。
1.2文章结构文章结构部分的内容如下：文章结构部分旨在介绍本文的组织结构和各个部分的内容安排。
柔性多体系统动力学的若干热点问题
第29卷 第2期1999年5月25日力 学 进 展ADVANCES IN M ECHAN ICS Vol.29 No.2May 25,1999柔性多体系统动力学的若干热点问题3于 清 洪嘉振上海交通大学工程力学系,上海 200030摘 要 全面综述了柔性多体系统动力学近年来的研究成果.对建模方法、模态选取及模态综合、动力刚化及柔性多体系统动力学中微分-代数方程的数值方法等研究热点进行了详细的阐述,并简要展望了柔性多体系统动力学今后的发展趋势.关键词 柔性多体系统动力学,建模方法,模态,模态综合,动力刚化,微分2代数方程,数值方法1 前 言柔性多体系统动力学研究由刚体和柔性体组成的复杂机械系统在经历大范围空间运动时的动力学行为,是多刚体系统动力学的自然延伸和发展.它主要研究柔性体的变形与其大范围空间运动之间的相互作用或相互耦合,以及这种耦合所导致的动力学效应.柔性体的变形运动与柔性体大范围空间运动的同时出现及其相互耦合是柔性多体系统动力学的本质特征,这个特征使其动力学模型不仅区别于多刚体系统动力学,也区别于结构动力学,是两者的结合与推广.柔性多体系统动力学是与经典动力学、结构动力学、控制理论及计算机技术紧密相联的一门新兴交叉学科,在航空航天、机器人、高速机构及车辆等各个领域有着广泛的应用,成为目前理论和应用力学最活跃的分支之一.虽然柔性多体系统动力学的模型可分别退化为多刚体系统动力学模型和结构动力学模型,但并非二者的简单结合.柔性体大范围空间运动与其弹性变形之间耦合的机理仍需深入研究,且这种耦合给动力学建模及数值计算带来了许多困难,使柔性多体系统与上述两种系统有本质不同的动力学特性.如何更为准确、高效地建立柔性多体系统的动力学模型,如何对柔性体进行模态选取与模态综合,如何处理柔性体经历大范围空间运动时的动力刚化问题,以及针对柔性多体系统动力学数学模型的数值方法的研究是柔性多体系统动力学的研究热点.本文主要针对上述问题进行详细深入的评述,以期较为全面地反映近年来国内外柔性多体系统动力学的研究现状.2 柔性多体系统动力学的建模方法柔性多体系统动力学的建模方法同多刚体系统动力学相似,也可分为绝对坐标和相对坐标收稿日期:1997209221,修回日期:19982022243国家自然科学基金和教育部高等学校博士点专项科研基金资助项目・541・两种方法,所不同的是在每种方法中均引入了有限元节点坐标或模态坐标以表示柔性体的变形. A. A.Shabana 等[1]用绝对坐标法建立了柔性多体系统的动力学模型,该方法用一致质量有限元方法对柔性体进行离散,柔性体的大范围转动用Euler 四元数来描述.绝对坐标方法具有程式化好、编程方便的优点,许多学者[2,3]的建模方法与此类似.但该方法广义坐标和约束方程较多,计算工作量较大,尤其对大型复杂系统,计算效率较差. E.J.Haug 在用铰相对坐标建立多刚体系统动力学模型[4]的基础上,根据矢量变分方法(Variational 2Vector Calcu 2lus Method )[5]和虚功原理,采用铰相对坐标加模态坐标的方法,建立了开环及含闭环的柔性多体系统的动力学模型[6,7].该方法对柔性体用集中质量有限元方法进行离散,用Euler 四元数描述柔性体的大范围转动.相对坐标方法具有动力学方程广义坐标和约束方程少、计算效率高的优点,但是程式化较绝对坐标方法差.潘振宽、洪嘉振和刘延柱等[8,9]根据Jourdain 变分原理,建立了绝对坐标下单柔体的动力学方程,利用递推关系,提出了相对坐标形式的树形柔性多体系统动力学的单向递推组集建模方法,并将其发展到含闭环的柔性多体系统中[10,11].该方法充分利用了绝对坐标方法建模的程式化形式,以单向递推组集的方法建立系统的动力学方程,具有较高的计算效率.对于闭环系统,该方法建立了绝对坐标下的切断铰约束库,利用递推关系将其转换到铰相对坐标和模态坐标上,得到了微分-代数形式的闭环柔性多体系统动力学方程.3 模态选取及模态综合 在柔性多体系统动力学中,如何描述柔性体的变形是非常重要的.最初的做法是直接将有限元节点坐标作为柔性体变形的广义坐标,这种做法的缺点是动力学方程中广义坐标的数目庞大,对于复杂的大型结构,这种做法使得数值积分几乎不可能进行.为此需要引入结构动力学中的坐标缩聚技术,使用少量的模态坐标代替节点坐标以降低动力学方程的求解规模.传统的做法是选取若干低阶的正则模态作为模态函数,可直接由有限元方法得到,且用正则模态得到的模态质量阵和模态刚度阵均为对角阵,减少了仿真计算的工作量.但正则模态是通过特征值分析得到的,只能较好地解决自由振动问题,而柔性体的变形是在外力、惯性力及联结铰约束反力等动载荷作用下的强迫振动问题,模态的选取必须考虑到动载荷的大小及其频率特性.W.S.Y oo [12]数值实验的结果表明:当柔性体上存在较大的非结构附加质量或联接铰中存在较大的动约束反力时,必须选取较多的正则模态(特别是高阶模态)来描述柔性体的变形,这使得模态坐标阵的维数和广义坐标数目增大,不利于动力学仿真计算.为了解决上述问题,W.S.Y oo [13]、于清和洪嘉振[11]将结构动力学中的静力校正模态引入到柔性多体系统动力学中.其原理为在柔性体受较大动载荷和外力的节点坐标上施加单位力,将由此得到的静变形作为模态坐标阵的一部分.因正则模态可较好地解决自由振动问题,静力校正模态能够反映柔性体在较大动载荷作用下引起的变形,类似于非齐次常微分方程解的构造,可在变形模态阵中同时选取正则模态和少量的静力校正模态,通过Gram 2Schmidt 正交化方法,使它们相互正交.柔性体的变形可表示为u =Ψn αn +Ψs αs (1)其中Ψn 和Ψs 为正则模态坐标阵及静力校正模态坐标阵,分别由特征值分析和静力分析得到,αn 和αs 为与之对应的模态坐标.柔性体的变形模态坐标阵Ψ为Ψ=[Ψn Ψs ](2)此时的模态质量阵Μm 及模态刚度阵Κm 分别为・641・Μm =ΨT ΜΨ=I nn 00ΨT s ΜΨs , Κm =ΨT ΚΨ=Λnn00ΨT s ΚΨs (3)其中Μ和Κ分别为柔性体的质量阵和刚度阵,Λnn 为一对角阵,其元素为与Ψn 对应的特征值.W.S.Y oo [12]较详细讨论了静力校正模态选取的方法,但指出静力校正模态的选取无严格的规律可循,绝大多数情况下还得依靠经验.S.H.Shin [14]对静力校正模态在动力学仿真中的应用进行了进一步的讨论,指出:如果由式(3)定义的模态质量阵Μm 中ΨT sΜΨs 矩阵对角元素的绝对值与单位值有数量级的差别,此时的模态质量阵是病态的.为了解决这一问题,可将静力校正模态乘上适当的系数,以保证模态质量阵具有良好的数值性态.另外,模态质量阵Μm 和模态刚度阵Κm 不一定是对角阵,这为动力学仿真带来了额外的工作量.对此可进一步求解如下的特征值问题{Κm -ω2i Μm }Χi =0 (i =1,…,m )(4)特征向量Χi 构成坐标变换阵Χ的列,于是可得到新的模态坐标阵ΦΦ=ΨΧ(5)可以看出,新的模态坐标阵Φ与Μ和Κ分别正交ΦT ΜΦ=Ιmm , ΦT ΚΦ=Λm m (6)此时柔性体的弹性变形可表示为u =Φα(7) H.T.Wu [15]分析了采用模态及模态坐标的方法描述柔性体的变形时引入的截断误差.设使柔性体变形的动载荷为F ,其中包括外力、D ’Alembert 惯性力及联接铰动约束反力三部分,截断误差R (t )为R (t )=F -M ΨΨT F +M ΨΛm m α-KΨα=(I m m -M ΨΨT )F -(K Ψ-M ΨΛm m )α(8)(8)式中第一项为用缩聚的模态坐标阵Ψ表示动载荷F 而引入的误差,一般说来,只使用正则模态不能减小此项误差,但选取静力校正模态可降低此项误差.(8)式中第二项当仅选取全部的正则模态时可自动消失.所以同时选取正则模态和静力校正模态作为变形模态坐标阵可降低截断误差,提高动力学仿真的效率.一些学者[16,17]认为模态坐标阵应是时变的,其变化规律由作用在柔性体上的动载荷F (t )决定,因此可引入结构动力学中的Ritz 矢量作为描述柔性体变形的模态坐标阵.其原理为在积分的每一时刻,根据动载荷的特性自动选取一时变的模态坐标阵描述柔性体的变形,使得截断误差较小.Ritz 矢量的计算可分为迭代和正交化两个过程,设所需的Ritz 矢量个数为k ,具体求解步骤为:(1)第一阶Ritz 矢量的计算及其正交化K <′1=F , <T 1M <1=19由(9)式可以看出,第一阶Ritz 矢量为柔性体在F (t )作用下的静变形.(2)高阶Ritz 矢量的计算及其正交化:其迭代过程为K <′i =M <i -1 (i =2,…,k )(10)・741・正交化过程首先使需求解的Ritz 矢量同已求得的Ritz 矢量正交,使用Gram 2Schmirdt 方法<″i =<′i -∑i -1j =1c j <j , c j =<T j M <′i (j =1,…,i -1)(11)然后使<i 与质量阵M 正交,即<T i M <i =1(12)H. F.Yeh [17]的研究表明用正则模态加少量的Ritz 矢量作为变形模态坐标阵,截断误差R (t )较小,并分析了此时集中质量有限元方法同一致质量有限元方法的差别.模态的选取是柔性多体系统动力学的一个关键问题,直接影响到动力学仿真的成功与否和计算精度及计算效率.其发展趋势为不再仅使用正则模态来描述柔性体的弹性变形,而是同时选取正则模态和少量的修正模态来降低截断误差.各种修正模态应充分应用有限元方法在预处理时的结果以减少仿真计算工作量,但如何准确选取修正模态及其阶数的多少仍是一个值得深入研究的问题.4 动力刚化现象动力刚化现象(Dynamic Stiffening )又称为应力刚度(Stress Stiffening )、几何刚度(G eo 2metric Stiffening )、几何非线性(G eometric Nolinearities )、运动诱发刚度(Motion Induced Stiffening )、初始应力刚度(Initial StressStiffening )[18],已成为柔性多体系统动力学近几年的研究热点之一.动力刚化现象的实质是作大范围空间运动的柔性体因运动和变形之间的相互耦合而导致的柔性体刚度的增大(附加动力刚度).传统的柔性多体系统动力学中,一般采用假设模态或线性有限元的方法来描述柔性体的变形,这种方法计算工作量小,在大部分情况下可满足工程实际的需要.但对作高速运动的柔性多体系统,在一定的条件下传统的建模方法会导致数值仿真的发散.T.R.Kane [19]于1987年指出:当柔性体高速转动时,传统的柔性多体系统动力学模型计算出的柔性体的变形与实验结果相比明显偏大,表现为柔性体刚度的明显减弱.Zhang Dajun 等[20]的结果表明,当细长梁的转动频率达到或超过梁的基频时,传统柔性多体系统动力学模型得到的梁的变形趋于发散.目前对动力刚化现象的分析方法可概括为以下几种典型的方法:(1)非线性有限元方法 在结构动力学非线性有限元方法的基础上,将柔性体的大范围空间运动及其弹性变形统一采用结点位移来表示,得到的动力学方程中包含了因柔性体的大应变而导致的动刚度矩阵.利用这种方法可分析作平面转动的大应变梁[21]和矩形板[22].非线性有限元方法的优点是可充分应用现有的非线性有限元分析软件,但因系统的广义坐标为有限元结点坐标,由此得到的动力学方程广义坐标数目非常庞大,且需采用隐式迭代算法,由此计算效率较低,不适合分析大型的复杂系统.(2)附加刚度法 附加刚度法又称为附加运动刚度法或附加几何刚度法.这种方法认为柔性体在做大范围空间运动时的变形是小变形大应变,变形和应变之间应为非线性关系.如在柔性体的位移-应变关系中过早地进行线性化处理,得到的柔性体的刚度阵为常值阵,不能反映柔性体的刚度与运动状况及应力状态的关系.应保留非线性的位移-应变关系,应用有限元方法得到因大范围空间运动引起的附加刚度.平面细长梁[23]的位移2应变关系较为简单,因此对其动力刚化问题的研究也较为成熟,其刚度矩阵可表示为K =K 0+K S (13)・841・其中K 0为通常的模态刚度阵,为常值阵,K S 为几何非线性刚度阵(附加动刚度阵),是梁轴向应力的函数.I.Sharf [24],C.Damaren [25]研究了空间梁,认为其刚度阵是变形广义坐标α的无穷级数.根据细长梁的位移-应变特性,刚度阵K 可采用Taylor 方法近似表达为K (α)=K 0+12!K G (α)+13!K B (α)(14)其中K G 为a 的线性函数,K B 为a 的二次函数,并且得到了K G ,K B 的显式表达式.J. F.Zhu [26]也从非线性的位移2应变关系出发,得到了均质薄板的动刚度矩阵,其结果较为繁琐.对任意的柔性体,其Green 2Lagrange 形式的应变张量为ε=[ε11 ε22 ε33 2ε12 2ε23 2ε31]T (15)ε中的各元素可表示为εαβ=12(u α,β+u β,α+∑3γ=1u γ,αu γ,β, u α,β=5u α5c β(16)其中c 为质点位置坐标.由(15)和(16)式可得到[27]ε=L u , L ≡L 0+L 1(u )(17)L 0和L 1(u )分别由(16)式中的线性部分和非线性部分导致.柔性体的应力2应变关系为σ=σr +H ε(18)σr 为初始应力[28].应用模态和模态坐标描述柔性体的变形,由变形引起的内力为[29] F C a =[K 0+K a ]a +F r a (19)K a =∫V [L 0Ψ]T σr d V , F r a =∫V [L 1(Ψa )Ψ]T σr d V (20)其中K 0为常值的模态刚度阵,K a 为动刚度矩阵.由(19),(20)式可以看出,当考虑到非线性位移2应变关系后,柔性体的刚度增大,是其初始应力σr 的函数. C. E.Padilla [30]也提出了任意形状柔性体的动刚度矩阵,其形式与(19)式相类似.对任意形状的柔性体,显然K a 无显式表达,必须借助有限元得到数值结果.因动刚度矩阵为变形广义坐标或应力的函数,因此在实际仿真过程中,积分的每一步必须重新拼装动刚度矩阵,工作量较大,不利于动力学仿真计算.O.Wallrapp [29]认为动力刚化现象实质上是柔性体的刚度随着其应力状态的变化而变化,除了大范围空间运动外,外力、约束反力也是引起动力刚化现象的因素,柔性体内部应力越大,其动力刚化现象越明显.因(20)式中动刚度与初始应力成线性关系,可应用有限元方法预先计算出与单位影响因素(惯性力、外力、铰约束反力)对应的单位动刚度矩阵,实际仿真计算中,就可以非常方便地得到柔性体的动刚度矩阵.如可预先计算柔性体沿某个方向转动时单位惯性力^F r a 产生的应力而导致的动刚度矩阵^K a ,在仿真计算时惯性力F r a 引起的动刚度矩阵就可方便地表示为K a =^K a (^F r a )F r a (21)A.K.Banerjee [31]就柔性体大范围空间运动引起的运动诱发刚度矩阵提出了一种新的计算方法:在小变形和线弹性假设的前提下,预先将柔性体的动刚度矩阵分解为12个与运动学参数・941・有关的动刚度矩阵(考虑微元的转动效应时为21个),用有限元程序计算出柔性体在单位运动学参数作用下的单位动刚度矩阵.在实际仿真过程中,每个积分时刻只要用单位动刚度矩阵乘以柔性体大范围空间运动学量的幅值,就可得到其动刚度矩阵,极大地简化了仿真计算.(3)变形耦合方法 Zhang Dajun 等[32]认为柔性体刚度的减弱是由于在运动学关系中过早地对变形的广义坐标进行了线性化,忽略了导致刚度增加的非线性项.为了保留弹性变形的非线性特性,将柔性体的变形场用模态坐标的二阶小量描述,形成精确到二阶小量的运动学描述.设保留柔性体的前s 阶模态,变形场可表示为u i =N ij a j +12N ipj a p a j (i =1,2,3; p ,j =1,…,s )(22)其中,α为模态坐标,N ij 为传统的形函数,N ipj 为耦合形函数.利用Lagrangian 应变张量和小变形假设,可得到N ipj 的表达式为N ipj =-∫x i 05N kp 5ξi ,5N kj 5ξi d ξi (i =1,2,3)(23)应用Kane 方法,在偏线速度和偏角速度的计算时对模态坐标进行线性化处理,由此也可得到柔性体的动刚度矩阵.但此方法只对简单形状的柔性体如均质梁、均质板有效,对复杂形状的柔性体,(23)式很难得到解析表达式,数值积分也较为困难.(4)子结构方法 S. C.Wu [33],A.Q.Liu [34]提出了解决动力刚化问题的一种数值方法.将柔性体分为若干子结构,认为在子结构中柔性体的变形为小变形、小应变,位移-应变的线性化假设仍然成立.这样,应用已有的柔性多体系统动力学模型就可较好地解决动力刚化问题.在这种方法中,对内部子结构采用了约束模态以满足相容的位移边界条件,因此虽然子结构中的变形是线性的,但整体结构的变形是非线性的.这种方法的优点是对现有的柔性多体系统动力学模型和分析软件不作任何修改就可计及动力刚化效应,但其结果明显依赖子结构的数目,且在各子结构的对接面上必须引入约束方程以满足变形的连续性,对复杂的大型结构,此方法的计算工作量非常大.动力刚化现象到目前为止,仍是柔性多体系统动力学研究的热点和难点,各种方法因在柔性体的变形或位移-应变关系中考虑了不同的附加非线性项,因此都可得到附加的刚度项.但柔性体的刚度与其大范围空间运动之间的内在联系以及导致动力刚化现象的根本原因仍是值得深入研究的课题.目前还没有一种非常通用和程式化的处理动力刚化问题的方法,适合大型通用柔性多体系统动力学仿真软件的开发.对动力刚化现象研究的趋势应是非常清楚的:即必须充分利用有限元技术,在动力学仿真的预处理阶段生成动刚度矩阵或与各种影响因素对应的单位动刚度矩阵,在仿真计算时只需根据柔性体的运动状态或应力状态对其进行简单的处理即可得到柔性体的动刚度矩阵,以最大限度地简化仿真计算.5 柔性多体系统动力学微分-代数方程组的数值方法 受约束柔性多体系统的控制方程为动力学方程(微分方程)同约束方程(代数方程)联立求解的微分2代数混合方程,又称DAE 方程(Differential Algebraic Equations ).据公认的分类术语[35],DAE 方程为指标3问题,与常微分方程不同,在数值计算上存在困难.在仿真过程中随着误差的积累,约束方程的违约加剧,得到的解已不能表示受约束多体系统的真实运动,必须对约束方程的违约进行抑制,使数值积分得以顺利进行.微分-代数方程组的求解方法已成为目前多体系统动力学的难点问题,近二十年来国内外进行了大量的研究工作.目前的研究方法大体可分为两类:一种是从微分-代数方程组本身出发,利用现代数学的研究成果将约束・051・方程定义为流形,对微分-代数方程组进行降阶处理,将其转化为由约束方程定义的流形上的常微分方程[36].这种方法的优点是可以直接应用求解常微分方程的技术,避免约束方程的违约.但在求解过程中必须计算由约束方程定义的流形零空间的基,计算工作量大,对复杂的多体系统,零空间基的计算缺乏成熟的方法,且有时并不唯一;另一种方法是在动力学方程中引入附加校正项,当约束方程产生违约时,对动力学方程进行校正[37].目前的校正方法多为间接校正方法,不能对系统的广义坐标进行直接的校正以满足约束方程.另外,在动力学方程中加入附加校正项需给定校正系数,校正系数太小校正效果不明显,校正系数太大容易引起动力学方程的破坏.目前还没有校正系数的自动选取方法,大都凭经验选取校正系数.对微分-代数方程组的求解方法在文献[38]中已进行了较详细的讨论,本文仅对近年来一些新的校正方法进行综述.设受约束多体系统的广义坐标数为n ,系统受到m 个独立的完整约束,约束方程的一般形式为Θ(y ,t )=0(24)其中y 为系统的广义坐标阵,速度形式和加速度形式的约束方程可分别表示为Θ(y , y ,t )=Θy y -η=0(25)¨Θ(y , y ,¨y ,t )=Θy ¨y -ξ=0(26)其中Θy 为约束方程的Jacobi 矩阵,η和ξ分别为速度和加速度约束方程的右端项.受约束多体系统的动力学方程为Z ΘT y Θy 0¨y μ=z ξ(27)其中Z ,z 分别为系统的广义质量阵和广义力阵,μ为拉格朗日乘子.在数值积分动力学方程(27)时,由于积分误差的影响,得到的y 和 y 不能满足约束方程(24)和(25),即出现违约现象,必须加以校正.511 位移约束方程、速度约束方程同时自动修正方法[39] 设积分步长为h ,在积分的第n +1步对位移约束方程Θ进行Taylor 展开,有Θn +1=Θn +h Θn +h 22¨Θn +O (h 3)(28)若y n 满足¨Θn +h 2 Θn +2h 2Θn =0(29)则恒有Θn +1=O (h 3)(30)即(29)式对位移约束方程有自动修正能力,修正后的动力学方程为Z ΘT y Θy 0¨y μ=z ξ-2h Θ-2h 2Θ(31)方程(31)为稳定的微分方程.同Baumgarte 约束稳定法[40]相比,有α=1h , β=2h (32)・151・即上述方法提供了Baumgarte 约束稳定法中校正系数α,β的自动选取方法.但上述方法仍未考虑速度约束方程的违约问题,并可能进一步破坏速度约束方程.为此可对位移约束方程和速度约束方程同时进行Taylor 展开,并且强制Θn +1=O (h 3), Θn +1=O (h 2),可得到Θn =-2h Θn , ¨Θn =-1h Θn (33)设W (y )是约束Jacobi 矩阵Θy 零空间的一组基,位移约束方程和速度约束方程同时修正后的动力学方程为W T Z 0Θy 0W TZ 0Θy y ¨y =W TZ y -2h ΘW T z -1hΘ(34)W (y )的选取一般可通过对ΘT y 进行QR 分解得到,但并不唯一.512 广义坐标主动校正方法[41,42] 设积分到t =t k 时得到广义坐标为^y k ,当约束方程的违约超过了给定的精度范围时,可认为Θk =Θ(^y k ,t k )≠0.此时需对^y k 加入校正项δy k ,使Θ(y k ,t k )=0,即y k =^y k +δy k(35)并且有Θk =Θ(y k ,t k )=Θ(^y k ,t k )+δΘk =0(36)由(36)式可得到δΘk =-Θ(^y k ,t k )(37)这里Θ(^y k ,t k )假设很小,所以有(Θy )k δy k =-Θ(^y k ,t k )(38)由矩阵的广义逆理论,应用Θy 的Moore 2Penrose 广义逆Θ+y ,此时方程(38)存在极小范数解δy k =-Θ+y Θk =-(Θy )T k (Θy )k (Θy )T k -1Θ(^y k ,t k )(39)将δy k 代入(35)式,广义坐标^y k 得到校正.由(39)式得到的极小范数解有很明确的物理意义,即(39)式不仅对系统的广义坐标进行了校正,使约束方程得到满足,而且因其具有极小范数,意味着在违约得到校正的条件下,极小范数解对广义坐标的校正幅度最小,也就是对系统的动力学方程的破坏最小,由此得到的广义坐标最接近系统的真实运动,这对数值仿真是至关重要的.这种主动校正方法的优点是可重复进行,直到将约束方程的违约控制在任意规定的精度范围内.对速度约束方程的违约可采用类似的方法.微分2代数方程组的求解方法是多体系统动力学的一个难点,目前仍无非常通用和程式化的方法.但其发展趋势是校正方法应自动进行,不需人工干预,且违约校正不能以破坏系统的动力学方程为代价.・251・6 结束语 本文综述了柔性多体系统动力学近年来国内外的研究成果.对柔性多体系统动力学的建模方法、模态的选取与模态综合、动力刚化现象以及柔性多体系统动力学微分-代数方程组的数值方法等研究重点进行了详细的阐述,并对各研究重点今后的发展作了展望.柔性多体系统动力学今后总的发展趋势应为:(1)如何更好地同具体的工程问题相结合.(2)如何面向当今飞速发展的计算机技术.(3)如何将现代控制理论引入柔性多体系统动力学中以解决大型复杂柔性机构的控制问题.(4)如何应用现代数学的研究成果.参 考 文 献1Chen C ,Shabana A A ,Rismantab 2Sany J.G eneralized constraint and joint reaction forces in the inverse dynamics of spatial flexible mechanical systems.Journal of Mechanical Design ,1994,116:777～7842G ofron M ,Shabana A A.E ffect of the deformation in the inertia forces on the inverse d ynamics of planar flexible mechanical systems.Nonlinear Dynamics ,1994,6:1～203陆佑方.柔性多体系统动力学.北京:高等教育出版社,19964Bae D S ,Haug E J.A recursive formulation for constrained mechanical s ystem dynamics :part 1:open loop sys 2tems.Mech S t ruct &M ach ,1987,15(3):359～3825Haug E J ,Wu S C ,K im S S.Dynamics of flexible machines :avaritional a pproach.In :Bianchi G ,Schiehlen W eds.Dynamics of Multibody Systems.Berlin Heidelberg :Springer ,19866K im S S ,Haug E J.A recursive formulation for flexible multibod y dynamics ,part 1:open 2loop 2puter Methods in A pplied Mechanics and Engineering ,1988,71:293～3147K im S S ,Haug E J.A recursive formulation for flexible multibody dynamics ,part 2:closed 2loop 2puter Methods in A pplied Mechanics and Engineering ,1989,74:251～2698潘振宽,洪嘉振,刘延柱.柔性机械臂动力学方程单向递推组集建模方法.力学学报,1993,25(3):327～3339潘振宽,洪嘉振,刘延柱.链状柔性多体机器人动力学研究.固体力学学报,1993,14(4):323～32910于清,洪嘉振.静力校正模态在闭环柔性多体系统动力学仿真中的应用.见:洪嘉振,贾书惠主编.多体系统动力学与控制.北京:北京理工大学出版社,1996:27～3011Yu Qing ,Hong Jiazhen.Static correction modes in dynamic simulation of flexible multibody systems with closed loops.Journal of S hanghai Jiaotong U niversity (English Edition ),1997,E 22(1):17～2012Y oo W S ,Haug E J.Dynamics of articulated structures ,part puter implementation and applications.J S t ruct Mech ,1986,14(2):177～18913Y oo W S ,Haug E J.Dynamics of flexible mechanical systems using vibration and static correction modes.Journal of Mechanisms ,T ransmissions ,and A utom ation in Design ,1986,108:315～32214Shin S H ,Y oo W S.E ffects of mode selection ,scaling ,and orthogonalization on the dynamic analysis of flexible multibody systems.Mech S t ruct &M ach ,1993,21(4):507～52715Wu H T ,et al.Selection of modal basis for flexible bodies of mechanical s ystems.Mech M ach Theory ,1995,30(3):471～48916Wu H T ,Mani N K.Modeling of flexible bodies for multibody dynamic systems using ritz vectors.Journal of Mechanical Design ,1994,116:437～44417Y en H F ,Dopker B.Deformation mode selection and mode orthonormalization for flexible bod y system puters &S t ructures ,1990,34(4):615～62718Ryu J ,K im Sang Sup ,K im Sung S oo.A general approach to stress stiffening effects on flexible multibody dynam 2ic systems.Mech S t ruct &M ach ,1994,22(2):157～18019K ane T R ,Ryan R R ,Banerjee A K.Dynamics of a cantilever beam attached to a moving base.Journal of Guid 2ance ,Cont rol and Dynamics ,1987,10(2):139～15120Zhang Dajun ,Liu Y ouwu ,Houston R L.On the dynamics of an arbitrary flexible body with large overall motion ,an integrated approach.Mech S t ruct M ach ,1995,23(3),419～43821Simo J C ,Quoc V L.On the dynamics of flexible beams under large overall motion ,the planar case ,part 1.Journal of A pplied Mechanics ,1986,53:849～85422Simo J C ,Quoc V L.The role of non 2linear theories in transient dynamic analysis of flexible structures.Journal of Sound and V ibration ,1987,119(3):487～50823Hsiao K M ,Y ang R T ,Lee A C.A consistent finite element formulation for non 2linear dynamic analysis of planarbeam.International Journal f or N umerical Methods in Engineering ,1994,37:75～89・351・。
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柔性多体系统的运动变形描述
柔性多体系统运动的描述方式，按其所选取的参照系不同，可分为绝对描述和相对描述两种类型[]。
绝对描述以某一个指定的惯性系为参考系，系统中每一个物体在每一个时刻的位形都在此惯性系中确定。
而在相对描述中对每一个物体都按某种方式选定一个随动参考系，物体的位形是相对于自己的动参照系确定的。
这些参照系通常是惯性的。
这两种描述方式导致两种不同的动力学模型。
相对描述的显著优点在于处理物体变形很方便。
它的一个缺点是在各加速度项中出现整体刚性运动和变形之间的耦合，这种耦合导致质量阵中出现与变形坐标有关的项。
这些项的存在大大增加了动力学方程数值求解的难度，并且是引起数值病态的主要原因之一。
【补充】相对描述方法特别适合于由小变形物体所组成的系统。
此时可以适当地选取动参考系，使得物体相对于动参考系的运动（变形）总是小的。
这样，对小变形可按通常的线性，例如进行模态展开和截断等。
将描述变形的弹性坐标和描述刚性运动的参数合起来，作为系统的广义坐标，就可以按通常的离散系统分析动力学方法建立动力学方程。
相对描述方法的核心问题为物体变形与整体刚性运动的相互作用。
这种相互作用可以通过规范场论的方法完全确定。
于是动力学方程分为互相耦合的两类，一类控制物体的整体刚性运动，另一类控制物体的相对变形。
[] 陆佑方．柔性多体系统动力学．高等教育出版社．1996
对于如何描述系统变形模式方面，大致有下列三种方法。
1 经典的瑞利-里兹(Reyliegh-Ritz)法
这个方法是对所研究的弹性体，构造一个假设位移场，该位移场必须满足相容性和完备性要求。
若假设位移场用(,,)x y z Φ表示，并取12[...]n Φ=ΦΦΦ，称为里兹函数矩阵，
用以描述物体变形模式，则物体上各点的变形向量f μ可表示为
f f q μ=Φ
式中，()f f q q t =为对应的弹性变形广义坐标向量。
这是弹性连续力学近似解的最基本方法，但对于复杂形状、复杂边界和复杂载荷的情况，要构造出一个适合的位移场式非常困难的，甚至可能做不到。
2 有限单元法
有限单元法实质是一种分片的瑞利-里兹法。
它非常适合于复杂形状、边界和载荷情况下的物体作离散和分析。
在用有限元近似模拟真实物体时，弹性体上无限多质点的位移，是由有限多个单元节点位移通过各单元的型函数来描述的，从而实现无限多个自由度的离散。
于是，属于i 物体中第j 单元上任一点P 的位移向量ij
f μ可表示为
ij
ij ij f N u μ=
式中，ij N 为j 单元的变形模式(或假设位移场)，称为j 单元的型函数，ij u 为该单元节点的位移向量，就构成了该物体的弹性广义坐标。
不难看出，即使采用有限元法可以使物体由无限多自由度离散成有限多个自由度，但通常为保证所需精度，需要保留的自由度仍然相当可观，特别使柔性多体动力学问题的求解，更显得突出。
3 模态分析和综合法
在动力分析中，更为普遍的是采用模态向量及相应的模态坐标来描述物体在空间随时间变化的位移(位形)，即
f n u q =Φ
式中，12[...]N Φ=ΦΦΦ为模态向量矩阵，()n n q q t =为模态坐标，N 为模态向量数，通常选取N n ，n 为物体的自由度数。
采用模态分析法的优点在于：可以根据系统的响应特征和精度要求来考虑模态的截断及截断范围；可以进一步采用模态综合技术来研究大型复杂系统的振动；可直接应用实验模态技术所得的结果，使理论和数值与实验数据精密结合。