..第39卷第3期力学进展Vol39N032009年5月25日ADVANCESINMECHANICSMay25,2009’多体系统动力学碰撞问题研究综述董富祥t洪嘉振上海交通大学工程力学系,上海200240摘要对近年来多体系统碰撞动力学研究进展进行了评述,包括碰撞动力学建模理论、数值算法和实验方面.的进展情况根据各自不同假设条件将建模方法分为冲量动量法、连续碰撞力模型和基于连续介质力学的有限元方法,比较了各种建模方法在碰撞过程描述和数值性态方面的优势和局限性;对碰撞动力学实验在非接触式测量方面取得的最新进展进行了介绍,总结了实验对以上建模理论的验证研究,展示了实验研究方面的一些..新发现最后基于工程实际的需求提出多体系统碰撞动力学面临的新挑战关键词多体系统动力学,碰撞,冲量动量法,连续碰撞力模型,有限元方法,实验研究、1引言碰撞问题的研究现状,对其在建模理论数值方法.和实验方面的最新进展作一介绍近20年来国内外学者在多体系统连续过程建、2理模理论计算方法和实验研究等方面做了大量的多体系统碰撞动力学建模论,工作,取得了一系列重要科研成果[‘一4}相继解决、,碰学从上是一了动力刚化数值病态等方面存在的问题建立了多体系统撞力力学本质种非定、常变边界的高度非线性动力学过程,其中对碰撞程式化的多体系统刚柔祸合动力学建模理论和有,,过程正处理是碰问效的数值求解算法并形成了诸如ADAMsDADs的确解决多体接触撞动力学题.,,的关键Iv]按照对碰撞过程假设的不同可以将其和CDYN这样的大型工程软件这些软件已经RE:,.方法以卜3型量量碰在众多工程问题的实践中经受了考验建模分为种类冲动法连续.撞力模型,基于连续介质力学的有限元方法然而实际工程领域内依然存在着大量以构件,间撞击为主要特征的非连续动力学问题如卫星2.1冲量动量法、、太阳帆板在轨展开与锁定航天器的交会对接冲量动量法是建立在碰撞物体刚性假设条件.,包装机构的间歇运动及构件间连接间隙引起的冲卜的一种近似理论采用冲量动量法时基本假设.击等在这些非连续动力学问题中,碰撞过程以其如下:(l)参与碰撞的物体均为刚体,不考虑碰撞引、,作用时间短强度大给系统动力学性态造成了巨起的局部变形;(2)碰撞在极短时间内完成不考虑,大影响已经成为系统分析和控制中不可忽略的碰撞持续时间和碰撞力作用过程;(3)碰撞前后系.,重要因素同时也给多体系统动力学建模和数值统位形不发生显著变化由于刚体假定条件下碰.仿真带来了一定的困难由于碰撞过程的高度复撞持续时间非常短,碰撞过程中不能直接利用碰,,杂和强烈的非线性日前对于该问题的研究还远撞力和碰撞加速度确定碰撞动力学过程因此在,未达到与连续动力学相同的水平这类问题的研计算中必须依赖于其对时间的一次积分形式即碰究不论对于理论研究的进展还是工程问题的解决撞力冲量和系统广义速度来描述碰撞前后的运动.,,都具有十分重要的意义和价值现在多体系统动学关系与早期假设碰撞面光滑不同[sl近年来在.力学接触碰撞问题己经成为多体动力学研究的重切向摩擦问题求解方面进行了大量的研究[l0,11].,要方向之一15一例本文根据当前多体系统动力学根据对碰撞问题处理方法的不同可以将求解方一‘一收稿口期:200冬0625,修卜旧期:2008-1209*国家自然科学基金(10772113)资助项目.一.tDmail:dongfx102@”hooeomen第3期董富祥等:多体系统动力学碰撞问题研究综述.法分为:增加删除约束法和互补法两类由方程(2)可以得到碰撞后系统广义速度变化,..△3一l量奋然后根据式()可求得碰撞后系统的广义速211增加删除约束法lz司增加删除约束法由Huag等冲]提出,通过以度一,,艺+=艺上假设条件根据碰撞点之间的法向运动学关系令()奋()+△奋(3),结合碰撞恢复系数求解碰撞后多刚体系统中各“”[la}出了于思想解.梁敏等提基撞击铰决多物体的广义速度本质上是在碰撞发生位置增加,刚统碰问题的从上对可,体系撞动力学方法数学与之相应的保持位移不变而速度跳跃的双面约,题进了论该方法于卫星,解性问行讨并将用帆板束在求出碰撞结束时刻的广义速度后释放该约.开工Chg.展过程中撞击锁定等问题的程研究中an束加入位移约束的同时,相应地必须在碰撞位置和Houston[,4]Kane不r一,用方程牛顿恢复系数对多引入与位移约束适应的拉格朗日乘子该拉格朗,.刚体单点碰撞问题进行了研究提出了碰撞后运日乘子与引