完备化ANCF薄板单元及在钢板弹簧动力学建模中的应用

绝对节点坐标方法已在多体系统动力学研究中广泛应用, 但常用来描述板壳类结构的薄板单元, 由于梯度不完备而无法直接用于带有初始弯曲参考构型的柔性体变形描述. 为避免全参数板单元建立车辆钢板弹簧模型时存在的严重截面闭锁问题, 拟采用薄板单元用于板簧建模. 为此, 探索了将现有绝对节点坐标薄板单元纳入一般连续介质力学弹性力表达的方法, 采用中面上单位法向量作为单元厚度方向的梯度向量, 从而得到了完备化的薄板单元及其描述初始弯曲构型时消除初应变的方法. 在此基础上通过定义簧片的未变形构型, 在钢板弹簧中引入可控的预应力, 实现对钢板弹簧装配过程的准确模拟. 通过数值算例验证了本方法的正确性. 建立了车辆钢板弹簧模型, 通过建立在簧片上的局部坐标系实现接触点的跨单元搜索, 并采用惩罚函数法和平滑化的库伦摩擦模型施加簧片间的接触力. 引入参考节点的概念建立了整合车身与吊耳及其机构运动关系的刚柔耦合模型.}}      

完备化ANCF薄板单元及在钢板弹簧动力学建模中的应用

绝对节点坐标方法已在多体系统动力学研究中广泛应用,但常用来描述板壳类结构的薄板单元,由于梯度不完备而无法直接用于带有初始弯曲参考构型的柔性体变形描述.为避免全参数板单元建立车辆钢板弹簧模型时存在的严重截面闭锁问题,拟采用薄板单元用于板簧建模.为此,探索了将现有绝对节点坐标薄板单元纳入一般连续介质力学弹性力表达的方法,采用中面上单位法向量作为单元厚度方向的梯度向量,从而得到了完备化的薄板单元及其描述初始弯曲构型时消除初应变的方法.在此基础上通过定义簧片的未变形构型,在钢板弹簧中引入可控的预应力,实现对钢板弹簧装配过程的准确模拟.通过数值算例验证了本方法的正确性.建立了车辆钢板弹簧模型,通过建立在簧片上的局部坐标系实现接触点的跨单元搜索,并采用惩罚函数法和平滑化的库伦摩擦模型施加簧片间的接触力.引入参考节点的概念建立了整合车身与吊耳及其机构运动关系的刚柔耦合模型.     

大变形薄板多体系统的动力学建模

基于非线性弹性理论,考虑剪切应变和横向应变,用绝对节点坐标法建立了大变形矩形薄板的动力学变分方程;为了提高非线性刚度阵的计算效率,根据非线性刚度阵与广义坐标阵的函数关系式,在非线性刚度阵中分离出广义坐标阵,从而避免了每个时间步长的单元刚度阵的积分运算。在此基础上,引入运动学约束关系,建立了大变形薄板系统第一类拉格朗日方程,对重力作用下大变形二连板进行数值仿真。计算结果表明:随着薄板的柔度增大,低频的弯曲变形与高频拉伸变形的耦合愈加显著;此外,系统机械能守恒验证了该模型正确性。     

含芯拧绞绳非线性弯曲动力学特性分析与研究

建立细长缆索大柔性多体动力学模型时,现实存在的复杂捻制几何构型多不予考虑,而是将柔索简化为材料均匀梁进行描述,致使运动仿真模型与物理实际存在一定差距. 为此,研究一种典型非线性拧绞绳股的大变形等效动力学建模方法,考虑准静态与大范围运动情况下绳股内的线接触,计算了受摩擦力及弯曲曲率影响的绳股可变弯曲刚度,通过等效梁模型避免了绳股精细建模时的大规模计算消耗. 基于连续介质力学与绝对节点坐标方法,建立了拧绞绳惯性广义坐标下的多柔体动力学模型. 为了验证等效模型的可行性,与基于有限段方法建立的精细模型进行对比仿真分析,通过位形验证了等效模型的精度. 进一步地,根据力载作用下的准静态构型,研究了特定构型绳股弯曲刚度沿轴向的分布规律;通过自重力下一端固定柔性绳摆自由运动仿真并与传统均匀梁模型相比,研究了模型弯曲特性的差异. 最后,根据能量守恒原理分析了摩擦耗散系统内各种能量间的相互转化. 拧绞绳大变形等效动力学模型能够提高绳索动力系统运动预测的仿真计算效率,还能为钢丝绳参数与构型设计提供依据.      

A HIGH-ORDER RIGID-FLEXIBLE COUPLING MODEL OF A ROTATING FLEXIBLE BEAM UNDER LARGE DEFORMATION

对在平面内做大范围转动的中心刚体-柔性梁系统的刚柔耦合建模理论进行了深入研究,建立了系统的高次耦合动力学模型. 该动力学模型考虑了柔性梁横向弯曲变形和纵向伸长变形,且在纵向位移中计及由于横向变形而引起的纵向缩短项,即非线性耦合变形项,并保留了与非线性耦合项相关的一些高阶项,最终得到了系统的高次刚柔耦合动力学方程. 由此得到的动力学方程不仅能适用于柔性梁的小变形问题,也同样适用于大变形问题,弥补了一次近似耦合模型在处理柔性梁大变形问题上的不足. 通过与绝对节点坐标法以及一次近似耦合模型的对比验证了高次耦合模型的正确性.     

含芯拧绞绳非线性弯曲动力学特性分析与研究

建立细长缆索大柔性多体动力学模型时,现实存在的复杂捻制几何构型多不予考虑,而是将柔索简化为材料均匀梁进行描述,致使运动仿真模型与物理实际存在一定差距.为此,研究一种典型非线性拧绞绳股的大变形等效动力学建模方法,考虑准静态与大范围运动情况下绳股内的线接触,计算了受摩擦力及弯曲曲率影响的绳股可变弯曲刚度,通过等效梁模型避免了绳股精细建模时的大规模计算消耗.基于连续介质力学与绝对节点坐标方法,建立了拧绞绳惯性广义坐标下的多柔体动力学模型.为了验证等效模型的可行性,与基于有限段方法建立的精细模型进行对比仿真分析,通过位形验证了等效模型的精度.进一步地,根据力载作用下的准静态构型,研究了特定构型绳股弯曲刚度沿轴向的分布规律;通过自重力下一端固定柔性绳摆自由运动仿真并与传统均匀梁模型相比,研究了模型弯曲特性的差异.最后,根据能量守恒原理分析了摩擦耗散系统内各种能量间的相互转化.拧绞绳大变形等效动力学模型能够提高绳索动力系统运动预测的仿真计算效率,还能为钢丝绳参数与构型设计提供依据.     

考虑曲率纵向变形效应的大变形柔性梁刚柔耦合动力学建模与仿真

对在平面内做大范围转动的中心刚体柔性梁系统的动力学进行了研究,建立了考虑大变形效应的系统刚柔耦合动力学模型,并进行了动力学仿真.该动力学模型不但考虑了柔性梁横向弯曲变形和纵向变形(包含轴向拉伸变形和横向弯曲变形而引起的纵向缩短项),还考虑了纵向变形对曲率的影响,称为曲率纵向变形效应.在以往的研究中,柔性梁的横向弯曲变形能往往直接使用柔性梁横向弯曲变形来表达,并没有考虑纵向变形的影响.为了考虑柔性梁纵向变形对横向弯曲变形能的影响,在浮动坐标系下使用柔性梁参数方程形式的精确曲率公式来计算柔性梁的弯曲变形能.在此基础上建立了基于浮动坐标系的考虑曲率纵向变形效应的刚耦合动力学模型.论文给出了数值仿真算例,验证了本文所建的动力学模型既能适用于柔性梁的小变形问题,又能适用于大变形问题,且较现有高次刚柔耦合动力学模型更加适用于大变形问题的处理.论文还通过与能处理柔性梁大变形问题的绝对节点坐标法的比较,验证了模型的正确性.      

基于绝对节点坐标法的平面梁有限变形下变形重构

现有的对有限变形条件下柔性结构变形重构的研究往往单纯基于曲率与应变间的几何关系, 同时忽略了被测体的纵向变形及其与弯曲变形的耦合效应. 为得到一种更加精确且能借助现有的力学工具进行应用方向扩展的变形重构方法, 以平面梁为对象, 借鉴变形重构逆有限元法的思想, 将平面梁的变形重构问题视作一类最优化问题. 首先, 通过引入绝对节点坐标法(absolute nodal coordinate formulation, ANCF)对柔性结构大变形下非线性的平面梁应变?位移关系进行精确描述, 构造了一种逆梯度缩减ANCF平面索梁单元. 然后, 对此逆ANCF单元进行改进, 在简化节点自由度的同时通过引入罚函数确保单元节点处的曲率连续性, 既保证了本问题的适定性, 也提升了最终解的精确性. 最后, 基于该单元利用Newton法构造了平面梁有限变形下变形重构问题的两种求解算法, 即逐单元算法和多单元整体算法, 以实现不同需求下的稳定求解. 数值仿真结果表明, 本方法在大变形条件下的变形重构误差小于1%, 而且在测点较少的情况下依然保持较高的精度, 同时验证了本方法的收敛性与计算效率.      

基于初应力法的作大范围运动柔性梁动力学建模理论研究

研究了初应力法的作大范围运动柔性梁的建模理论.根据连续介质理论,考虑应变-位移中的非线性项,用一致质量有限元法对柔性梁进行离散,基于Jourdain速度变分原理导出定轴转动下大范围运动为自由的柔性梁刚-柔耦合动力学方程.从其刚柔耦合动力学方程出发,考虑在大范围运动已知情况下的结构动力学方程.通过引入准静态概念,把其结构动力学方程转化为准静态方程.对纵向和横向变形节点坐标进行坐标分离,解出与纵向变形相关的准静态方程,得到准静态时的纵向应力表达式,从而获得附加刚度项.并对此非惯性系下作大范围运动柔性梁的结构动力学方程进行数值仿真,对零次近似模型、一次近似模型、初应力法动力学模型的仿真结果进行分析,揭示三种模型的动力学性质的差异.     

两类基于局部标架梁单元的闭锁缓解方法

对于大转动、大变形柔性体的刚柔耦合动力学问题,基于李群SE(3)局部标架(local frame formulation, LFF)的建模方法能够规避刚体运动带来的几何非线性问题,离散数值模型中广义质量矩阵与切线刚度矩阵满足刚体变换的不变性,可明显地提高柔性多体系统动力学问题的计算效率. 有限元方法中,闭锁问题是导致单元收敛性能低下的主要原因, 例如梁单元的剪切以及泊松闭锁.多变量变分原理是缓解梁、板/壳单元闭锁的有效手段. 该方法不仅离散位移场,同时离散应力场或应变场, 可提高应力与应变的计算精度. 本文基于上述局部标架,研究几类梁单元的闭锁处理方法, 包括几何精确梁(geometrically exact beam formulation, GEBF)与绝对节点坐标(absolute nodal coordinate formulation, ANCF)梁单元. 其中, 采用Hu-Washizu三场变分原理缓解几何精确梁单元中的剪切闭锁,采用应变分解法缓解基于局部标架的ANCF全参数梁单元中的泊松闭锁. 数值算例表明,局部标架的梁单元在描述高转速或大变形柔性多体系统时,可消除刚体运动带来的几何非线性, 极大地减少系统质量矩阵和刚度矩阵的更新次数.缓解闭锁后的几类局部标架梁单元收敛性均得到了明显提升.      

基于细长梁单元的悬索桥主缆线形分析Study on main cable shape of suspension bridge based on slender beam element

悬索桥主缆线形的精细化计算需要同时考虑弯曲刚度及初始弯曲的影响,为此将主缆离散为小挠度的细长梁单元,推导包含自重项的细长梁单元的刚度矩阵,其中考虑了轴力对弯曲刚度的影响及弯矩引起的轴向刚度修正系数。基于细长梁单元编制主缆线形计算的有限元程序,采用改进的迭代法求解几何非线性结构的平衡状态,并考虑鞍座处主缆线形的修正。利用程序计算了两座悬索桥主缆在恒载作用下的变形,结果表明,主缆弯曲刚度对跨中和桥塔附近主缆线形的影响较大,且矢跨比越大,主缆线形的计算误差就越大。由弯曲刚度引起的主缆线形计算误差将会带来吊索下料长度计算不准确、索夹放样坐标不准确、成桥桥面线形达不到设计线形以及成桥吊索力分布不均匀等问题,尤其是对矢跨比较大的自锚式悬索桥,需要在设计和施工中引起足够的重视。     

An improved dynamic model for a silicone material beam with large deformation

Dynamic modeling for incompressible hyperelastic materials with large deformation is an important issue in biomimetic applications. The previously proposed lower-order fully parameterized absolute nodal coordinate formulation (ANCF) beam element employs cubic interpolation in the longitudinal direction and linear interpolation in the transverse direction, whereas it cannot accurately describe the large bending deformation. On this account, a novel modeling method for studying the dynamic behavior of nonlinear materials is proposed in this paper. In this formulation, a higher-order beam element characterized by quadratic interpolation in the transverse directions is used in this investigation. Based on the Yeoh model and volumetric energy penalty function, the nonlinear elastic force matrices are derived within the ANCF framework. The feasibility and availability of the Yeoh model are verified through static experiment of nonlinear incompressible materials. Furthermore, dynamic simulation of a silicone cantilever beam under the gravity force is implemented to validate the superiority of the higher-order beam element. The simulation results obtained based on the Yeoh model by employing three different ANCF beam elements are compared with the result achieved from a commercial finite element package as the reference result. It is found that the results acquired utilizing a higher-order beam element are in good agreement with the reference results, while the results obtained using a lower-order beam element are different from the reference results. In addition, the stiffening problem caused by volumetric locking can be resolved effectively by applying a higher-order beam element. It is concluded that the proposed higher-order beam element formulation has satisfying accuracy in simulating dynamic motion process of the silicone beam.     

Contact dynamics of elasto-plastic thin beams simulated via absolute nodal coordinate formulation

Under the frame of multibody dynamics, the contact dynamics of elasto-plastic spatial thin beams is numerically studied by using the spatial thin beam elements of absolute nodal coordinate formulation (ANCF). The inter-nal force of the elasto-plastic spatial thin beam element is derived under the assumption that the plastic strain of the beam element depends only on its longitudinal deformation. A new body-fixed local coordinate system is introduced into the spatial thin beam element of ANCF for efficient con-tact detection in the contact dynamics simulation. The linear isotropic hardening constitutive law is used to describe the elasto-plastic deformation of beam material, and the classical return mapping algorithm is adopted to evaluate the plastic strains. A multi-zone contact approach of thin beams previ-ously proposed by the authors is also introduced to detect the multiple contact zones of beams accurately, and the penalty method is used to compute the normal contact force of thin beams in contact. Four numerical examples are given to demonstrate the applicability and effectiveness of the pro-posed elasto-plastic spatial thin beam element of ANCF for flexible multibody system dynamics.     

一种考虑初始缺陷影响的非线性梁单元

在目前广泛应用的梁单元中,尚缺乏全面考虑以下四种因素影响的粱单元：(1)轴力的影响;(2)剪切交形的影响;(3)初始弯曲的影响;(4)弯曲变形对轴向应变的影响,即弓形效应。事实上,以上四种非线性因素都会对钢框架结构的稳定和极限承载力有影响,需同时考虑。本文将致力于推导同时考虑以上四种因素影响的平面梁单元的平衡微分方程,最后得到精确的粱单元刚度矩阵,并研究以上四种因素对钢框架构件及钢框架结构的影响。     

基于绝对节点坐标法的弹性线方法研究

相比于浮动坐标系法, 绝对节点坐标法(absolute nodal coordinateformulation, ANCF)在处理柔性体非线性大变形问题上具有显著优势,ANCF将单元节点坐标定义在全局坐标系下,采用斜率矢量代替节点转角坐标, 具有常数质量阵,不存在科氏离心力等优点, 然而弹性力阵为非线性项,其求解将比较耗时且占用资源. 据此, 在弹性力求解方法中,引入弹性线方法(elastic line method, ELM),该方法将格林--拉格朗日应变张量定义在中心线上,采用曲率公式来定义弯曲应变, 转角公式来定义扭转应变.同时采用有限元法对三维柔性梁位移场进行离散,求解梁单元常数质量阵、广义刚度阵、广义力阵,进而得到单元的动力学方程, 通过转换矩阵得到三维梁的动力学方程.接着从理论上指出连续介质力学方法(continuum mechanics method,CMM)和弹性线方法在求解弹性力上的不同点, 并编制动力学仿真软件.最后分别采用连续介质力学方法和弹性线方法对柔性单摆以及履带式车辆的动力学问题进行仿真分析,结果表明:弹性线方法能在保证精度的前提下有效提高计算效率.      

Elastodynamic analysis of low tension cables using a new curved beam element

In this paper, we address and overcome the difficulties associated with the use of the classic cable theory to treat low tension cables by developing a new three-noded locking-free nonlinear curved beam element. Based upon nonlinear generalized curved beam theory, large deformations and rotations in the new element are formulated in terms of Updated Lagrangian framework. Consistently coupled polynomial displacement fields are used to satisfy the membrane locking-free condition and the requirement of being able to recover the inextensible bending modes. Quintic transverse displacement interpolation functions are used to represent the bending deformation of the beam, while the axial and torsional displacement fields are derived by integration of the presumably linear membrane and torsional shear strain fields, which are coupled with the transverse displacement fields. Numerical results are presented to demonstrate the superior accuracy and the high convergence rate of the newly developed curved beam element. The stability and accuracy of the new element are further validated by experiments of an instrumented free-swinging steel cable experiencing slack and low tension. Good agreements in cable position and tension are observed between the experimental results and the finite element predictions.     

A structural mechanics approach for predicting the mechanical properties of carbon nanotubes

Based on molecular mechanics, a structural mechanics model of carbon nanotubes (CNTs) was developed with special consideration given to the bending stiffness of the graphite layer. The potentials associated with the atomic interactions within a CNT were evaluated by the strain energies of beam elements which serve as structural substitutions of covalent bonds in a CNT. In contrast to the original model developed by Li and Chou (Int. J. Solids Struct. 40(10):2487–2499, 2003), in the current model the out-of-plane deformation (inversion) of the bond was distinguished from the in-plane deformation by considering a rectangular cross-section for the beam element. Consequently, the model is able to study problems where the effect of local bending of the graphite layer in a carbon nanotube is significant. A closed-form solution of the sectional properties of the beam element was derived analytically. The model was verified through the analysis of rolling a graphite sheet into a carbon nanotube. Using the present model, the buckling behavior of nanotubes under bending is simulated. The predicted critical bending angle agrees well with molecular dynamics simulations.