[发明专利]一种基于ANCF的薄壳碰撞接触计算方法

说明书

本发明公开了一种基于ANCF的薄壳碰撞接触计算方法，基于有限元理论和连续介质力学理论计算薄壳单元应变能，求得单元的弹性力和弹性力的雅克比矩阵，采用主从面算法作为接触检测算法，罚函数法计算法向接触力和摩擦力，最后用广义‑算法计算柔性多体系统动力学，求解薄壳碰撞接触问题。本发明与现有技术相比，其显著优点在于：（1）与KED法与浮动坐标法相比，本方法质量矩阵为常数阵，不存在科氏力和离心力，解决柔性多体系统动力学中的动力刚化问题，很好完成刚柔耦合，使得结果更加精确。（2）采用主从面算法作为接触检测算法，适用于正常的接触问题。（3）采用罚函数法计算法向接触力和摩擦力，将接触问题变为无约束问题，计算效率较高。

技术领域

本发明属于研究柔性多体系统动力学问题，具体涉及一种基于绝对节点坐标(ANCF)的薄壳碰撞接触计算方法。

背景技术

由于薄壳等可展开结构的轻质化等优点，薄膜结构如太阳帆板等被广泛应用于现代航空航天领域中。而对于柔性系统的大范围位移和大变形之间的耦合，是学术界和工程界的难点，其数值模拟困难且迫切，随着我国航天事业发展，太空中可展开结构如薄膜结构的研究愈发迫切，基于绝对节点坐标法的薄壳结构碰撞接触计算方法有着相当的重要性。本发明能为航空航天、车辆、机械等领域的多体动力学仿真提供一定的计算帮助

王庆涛在2016年公开发表了《经历大范围运动和大变形的细梁接触动力学》，论文分析了空间结构中可展开柔细绳索的复杂接触动力学问题，但对于薄壳结构的接触碰撞问题并未做进一步的分析。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于ANCF的薄壳碰撞接触计算方法，对薄壳的接触碰撞动力学问题进行较好的动力学分析。

实现本发明目的技术解决方案为：一种基于ANCF的薄壳碰撞接触计算方法，包括以下步骤：

步骤1、任意选取两个由具有梯度缺陷的不同薄壳单元分别构成薄壳，基于绝对节点坐标法确定两个薄壳单元参数，只考虑中面拉压变形和剪切变形，基于Kirchhoff板壳理论，计算出每个薄壳单元的应变能，并求得薄壳单元弹性力和弹性力的雅克比矩阵，转入步骤2；

步骤2、对上述两个薄壳进行接触检测，对薄壳单元采用主从面接触算法作为接触检测算法，选取接触区域大的薄壳单元接触面为从面，另一接触区域小的薄壳单元接触面为主面，获得接触区域和最小嵌入深度，转入步骤3；

步骤3、对接触薄壳进行动力学分析，考虑切向接触力即摩擦力，由步骤2所得最小嵌入深度使用罚函数法计算法向接触力和摩擦力，根据步骤2所得接触区域求得广义接触力以及广义接触力的雅克比矩阵，转入步骤4；

步骤4、使用广义-α算法作为柔性多体系统动力学隐式求解方法，将步骤1所得薄壳单元弹性力和弹性力的雅克比矩阵，和步骤3所得的广义接触力以及广义接触力的雅克比矩阵代入多体系统动力学方程，进行数值计算，获得动力学方程的雅克比矩阵和每一时间步长下柔性多体系统的节点坐标向量。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)采用绝对节点坐标法，KED法与浮动坐标法相比，质量矩阵为常数阵，且不存在科氏力和离心力，解决柔性多体系统动力学中的动力刚化问题，很好完成刚柔耦合，使得结果更加精确。

(2)采用主从面算法作为接触检测算法，将接触面分为变形较大的从面和变形较小的主面，适用于正常的接触问题。

(3)采用罚函数法计算法向接触力，将接触问题变为无约束问题，不增加未知数，计算效率较高。

附图说明

图1为本发明基于ANCF的薄壳碰撞接触计算方法的流程图。

图2为本发明薄壳单元中面示意图。

图3为本发明薄壳单元上任意一点示意图。