柔性繩索建模試驗(yàn)

王雅浩 賈晨星 賈斐

摘 要 根據(jù)試驗(yàn)需求，構(gòu)建了對(duì)柔性繩索進(jìn)行橫向碰撞沖擊的虛擬試驗(yàn)場(chǎng)。虛擬試驗(yàn)場(chǎng)中包含柔性繩索、滑輪、撞擊車(chē)、阻尼系統(tǒng)、剛體底盤(pán)等。試驗(yàn)過(guò)程是將柔性繩索兩端分別固定在阻尼系統(tǒng)上，實(shí)現(xiàn)在碰撞沖擊過(guò)程中對(duì)柔性繩索的緩沖作用，用兩個(gè)定滑輪將柔性繩索分隔開(kāi)，撞擊車(chē)將以不同大小不同方向的初始速度對(duì)柔性繩索進(jìn)行碰撞沖擊試驗(yàn)。將柔性繩索劃分為許多等長(zhǎng)的圓柱體，圓柱體通過(guò)柔性梁連接，這樣使得模型既保持了柔性繩索整體可彎曲、可纏繞的特性，又對(duì)柔性繩索分析進(jìn)行了簡(jiǎn)化。

關(guān)鍵詞 柔性繩索 建模 試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TH123 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

碰撞沖擊問(wèn)題是一個(gè)較為復(fù)雜的經(jīng)典力學(xué)分析問(wèn)題。對(duì)碰撞沖擊問(wèn)題的研究涉及到很多學(xué)科，例如計(jì)算力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、材料力學(xué)等。如果要詳細(xì)地分析碰撞物體間的運(yùn)動(dòng)及受力情況，需要考慮很多因素。碰撞物體的幾何外形、碰撞物體的硬度、接觸力及摩擦力、物體材質(zhì)的熱效應(yīng)等都是影響碰撞沖擊的關(guān)鍵因素。對(duì)碰撞沖擊問(wèn)題的研究有著廣泛的應(yīng)用，尤其是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，它在航空、航天、軍事等許多領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值愈加突出。當(dāng)前對(duì)碰撞沖擊的研究往往需要大量的實(shí)際物理試驗(yàn)，這耗費(fèi)了大量的時(shí)間與資源。

本文研究的虛擬試驗(yàn)場(chǎng)主要用于對(duì)柔性繩索進(jìn)行碰撞沖擊試驗(yàn)。本虛擬試驗(yàn)場(chǎng)對(duì)柔性繩索的分析主要是通過(guò)動(dòng)力學(xué)建模及動(dòng)力學(xué)方程求解，對(duì)柔性繩索的碰撞沖擊試驗(yàn)主要測(cè)試柔性繩索在碰撞沖擊過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)及受力情況。

1碰撞沖擊虛擬試驗(yàn)場(chǎng)分析

虛擬試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行的試驗(yàn)種類(lèi)較多，本文研究的碰撞沖擊試驗(yàn)場(chǎng)是只針對(duì)不同材質(zhì)的柔性繩索進(jìn)行橫向碰撞沖擊試驗(yàn)。虛擬試驗(yàn)場(chǎng)中包括柔性繩索、定滑輪、阻尼系統(tǒng)、撞擊車(chē)及鋼體底盤(pán)。試驗(yàn)大體過(guò)程為：將繩體兩端分別固定在阻尼系統(tǒng)上以實(shí)現(xiàn)碰撞沖擊過(guò)程中對(duì)繩體緩沖的作用，用兩個(gè)定滑輪將繩體分隔開(kāi)，使得繩體被撞擊的部分與阻尼系統(tǒng)垂直，撞擊車(chē)將以不同大小不同方向的速度對(duì)柔性繩索進(jìn)行碰撞沖擊。

2柔性繩索碰撞沖擊動(dòng)力學(xué)建模

（1）本虛擬試驗(yàn)場(chǎng)中多剛體系統(tǒng)組成如下：

本虛擬試驗(yàn)場(chǎng)將多剛體系統(tǒng)分成四個(gè)組成部分：構(gòu)件、約束、作用力分別定義為：

構(gòu)件：構(gòu)件指的是具有質(zhì)量特征的任何剛體或剛體固定件。在本虛擬試驗(yàn)場(chǎng)中用到的柔性繩索、滑輪、撞擊車(chē)由于具有質(zhì)量特征，都是構(gòu)件。每個(gè)構(gòu)件建立六個(gè)一階運(yùn)動(dòng)學(xué)方程和六個(gè)一階動(dòng)力學(xué)方程。約束：約束是對(duì)系統(tǒng)中構(gòu)件進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)方向的限制。由于構(gòu)件運(yùn)動(dòng)包括三個(gè)直線(xiàn)方向，三個(gè)旋轉(zhuǎn)方向，所以約束是對(duì)其中一個(gè)或幾個(gè)方向進(jìn)行的限制。根據(jù)約束的個(gè)數(shù)，本虛擬試驗(yàn)場(chǎng)對(duì)構(gòu)件創(chuàng)建相對(duì)數(shù)目的方程。作用力：作用力包括兩類(lèi)，一類(lèi)是構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生的作用力，如在本虛擬試驗(yàn)場(chǎng)中柔性繩索與滑輪之間的壓力及摩擦力；另一類(lèi)是外界對(duì)構(gòu)件所施加的作用力，如本虛擬試驗(yàn)場(chǎng)中各構(gòu)件都受到重力的影響。

（2）多剛體系統(tǒng)的坐標(biāo)系。

本虛擬試驗(yàn)場(chǎng)定義了三種坐標(biāo)系：

地面坐標(biāo)系：即為系統(tǒng)的絕對(duì)坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系與地面保持不變。本虛擬試驗(yàn)場(chǎng)中的所有構(gòu)件相對(duì)于地面坐標(biāo)系都有明確的坐標(biāo)。局部坐標(biāo)系：相對(duì)于地面坐標(biāo)系定義的坐標(biāo)系，這個(gè)坐標(biāo)系隨著構(gòu)件一起運(yùn)動(dòng)，局部坐標(biāo)系坐標(biāo)多應(yīng)用在描述自身內(nèi)部運(yùn)動(dòng)與作用力方面。標(biāo)記系統(tǒng)：標(biāo)記系統(tǒng)是構(gòu)件自身的坐標(biāo)系，主要有兩類(lèi)：固定標(biāo)記和浮動(dòng)標(biāo)記。固定標(biāo)記與構(gòu)件連為一體，方向和位置是相對(duì)于局部坐標(biāo)系定義的，不會(huì)隨著構(gòu)件位置改變，其主要用于標(biāo)記構(gòu)件的三維質(zhì)心、邊界、約束和作用力。對(duì)于某些力和約束本虛擬試驗(yàn)場(chǎng)使用浮動(dòng)標(biāo)記，浮動(dòng)標(biāo)記會(huì)隨著位置的改變而改變。

基于以上理論，Adams仿真軟件中的impact函數(shù)實(shí)現(xiàn)了接觸碰撞的多剛體運(yùn)動(dòng)與受力分析，碰撞力由兩個(gè)部分組成：一個(gè)是由于兩個(gè)構(gòu)件之間的相互切入而產(chǎn)生的彈性力；另一個(gè)是由于相對(duì)速度產(chǎn)生的阻尼力。

下面是建立柔性繩索與撞擊車(chē)之間接觸力的命令腳本。

defaults model model_name=.rope

variable create variable_name=ip integer_value=24

while condition=（ip<=38）

contact create &

contact_name = （eval（".rope.contact_"http://ip+10000）） &

adams_id = （eval（ip+10000）） &

i_geometry_name = .rope.PART.CSG_91 &

j_geometry_name = （eval（".rope.part_"http://ip//".CYLINDER_1"）） &

stiffness = 1.0E+004 &

damping = 10.0 &

exponent = 1.1 &

dmax = 0.1

variable modify variable_name=ip integer_value=（eval（ip+1））

end！while

variable delete variable_name=ip

3結(jié)語(yǔ)

虛擬試驗(yàn)是不依賴(lài)或不完全依賴(lài)實(shí)際硬件環(huán)境而可以完成對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行各種試驗(yàn)的方法和技術(shù)。虛擬試驗(yàn)技術(shù)融合了當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、數(shù)字仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)建模等技術(shù)來(lái)創(chuàng)建一個(gè)可以對(duì)產(chǎn)品、技術(shù)、裝備進(jìn)行預(yù)先分析評(píng)估的虛擬試驗(yàn)環(huán)境。本文研究搭建一個(gè)對(duì)柔性繩索進(jìn)行碰撞沖擊的虛擬試驗(yàn)場(chǎng)，通過(guò)對(duì)碰撞沖擊的虛擬試驗(yàn)可以模擬真實(shí)試驗(yàn)過(guò)程，提供真實(shí)試驗(yàn)的預(yù)見(jiàn)性數(shù)據(jù)，為真實(shí)試驗(yàn)做好準(zhǔn)備。

參考文獻(xiàn)

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