基于量化状态系统的多体系统动力学刚性方程求解方法

论文摘要

多体系统动力学为机械、航空、航天、兵器、机器人等领域中大量机械系统的动态性能评估和优化提供了强有力的理论工具与技术支撑,是当今力学领域的研究热点和难点之一。多体系统在运动过程中,由于不同构件之间特性参数的较大差异、或者柔性体大范围运动与构件本身较小弹性变形之间的耦合,使得动力学方程呈现刚性。这类刚性方程的求解是多体系统动力学控制中的难点问题之一。目前,多体系统动力学方程常见的解法都是基于时间离散的数值积分方法。当动力学方程具有刚性特性时,考虑到计算稳定性等因素,需要强制使用隐式算法,这就使得其过程繁琐且复杂,计算成本显著增加。针对该问题,本文基于量化状态系统方法（Quantized State System,QSS）,提出一种多点校正显式算法（Multi-point Correction QSS,MCQSS）。该算法运用两个迟滞量化函数对系统的状态变量进行离散,引入多点校正思想对状态变量导数进行修正,使得仿真中每步时间节点更加精确,有效的提高了算法的精度及稳定性;同时保留了 QSS算法显式计算无需迭代的特点,提高了算法的仿真效率。为验证本文提出的基于量化状态系统的多点校正显式算法应用在多体系统动力学求解过程中的有效性,本文首先通过对双摆系统的仿真求解,证明了算法的可行性。之后对混凝土泵车的臂架系统这一复杂的刚柔耦合多体系统进行了应用分析。泵车臂架系统作为一个典型的多体系统,其臂杆在运动过程中有较为明显的弹性变形,所以它的柔性动力学方程具有的强非线性、或是刚柔耦合等问题使得动力学方程呈现刚性特性。通过对柔性臂架系统的数值求解,并且将MCQSS算法与传统数值积分方法和QSS等方法从仿真精度与仿真效率两方面进行性能对比,结果表明,MCQSS算法在保证仿真效率的同时能有效提高仿真精度,算法性能优于传统方法和QSS等方法。

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摘要

ABSTRACT

第1章绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 多体系统动力学建模研究现状

1.2.2 多体系统数值计算方法研究现状

1.2.3 泵车柔性臂系统研究现状

1.3 本文主要研究内容

1.4 本章小结

第2章量化状态系统方法

2.1 引言

2.2 量化状态系统算法基本思想

2.3 QSS1算法定义

2.4 量化状态系统算法拓展

2.4.1 二阶量化状态系统算法

2.4.2 后向量化状态系统算法

2.5 本章小结

第3章利用量化状态系统的多点校正显式算法

3.1 引言

3.2 多点校正显式算法

3.3 实例分析

3.3.1 仿真环境及预设条件

3.3.2 经典双摆模型

3.3.3 仿真结果

3.3.4 结果分析

3.4 多点校正显式算法的优势与特点

3.5 本章小结

第4章混凝土泵车臂架多体动力学建模

4.1 引言

4.2 泵车臂架结构与工作原理

4.3 基于多体动力学的臂架系统建模

4.3.1 柔性臂架机构动力学建模

4.3.2 液压驱动系统模型

4.3.3 系统完备动力学方程

4.4 本章小结

第5章臂架的柔性多体动力学模型求解

5.1 引言

5.2 柔性多体动力学的数值解法

5.3 臂架柔性多体系统方程的求解

5.3.1 柔性动力学方程的推导

5.3.2 MCQSS算法求解

5.3.3 参数设置

5.3.4 基于不同算法的仿真实现

5.3.5 仿真结果

5.4 结果分析

5.5 本章小结

第6章总结与展望

致谢

参考文献

附录一

附录二

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 贺英良

导师: 李志华,陈洪正

关键词: 多体系统,动力学,泵车臂架系统,量化状态系统,数值积分,仿真

来源: 杭州电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 力学

单位: 杭州电子科技大学

分类号: O313.7

总页数: 61

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