柔性多體系統含摩擦碰撞stick-slip過程動力學仿真

錢震杰， 章定國， 金誠謙

(1. 農業部南京農業機械化研究所，南京 210014； 2. 南京理工大學 理學院，南京 210094)

柔性多體系統含摩擦碰撞stick-slip過程動力學仿真

錢震杰1， 章定國2， 金誠謙1

(1. 農業部南京農業機械化研究所，南京 210014； 2. 南京理工大學 理學院，南京 210094)

基于高次剛柔耦合理論和Lagrange 乘子法，研究了柔性多體含摩擦碰撞stick-slip過程的全局動力學的精確建模與自動切換仿真問題?；谧兺負渌枷?，根據分離、碰撞、黏滯接觸和滑動接觸等狀態分別構造相應的約束條件和動力學方程。運用沖量/動量法求解碰撞初始條件；引入切向滑動摩擦力勢能的概念描述切向滑動接觸力；給出接觸、分離、黏滯、正向/逆向滑動狀態之間的切換準則，實現了系統全局動力學自動切換。通過算例的數值仿真，分析了滑移/黏滯(微滑動)、正/逆向滑動等復雜非光滑現象，驗證了該模型和算法的有效性。

含摩擦碰撞；黏滯/滑移；接觸約束；柔性機械臂；動力學建模

柔性多體系統，如機械臂，操作過程存在著大量的抓取、分離、內外碰撞，末端執行器和操作控制較復雜。目前，工程應用上大量采用沖量/動量法和連續碰撞力法來近似求解多體系統的碰撞問題。Pfeiffer等[1]提出了附加約束法求解多體系統變結構問題。由于沖量動量法存在碰撞瞬時完成假設，無法求解接觸力變化過程，而基于Herze理論的連續接觸力法存在碰撞體互相嵌入假設，動力學響應依賴于接觸模型參數選擇。附加約束法[2-5]可得到碰撞過程接觸力的變化、系統動力學響應，彌補前兩者方法的不足。

一方面，該方法需要解決接觸發生瞬時兩界面間的速度跳躍的非光滑問題，并保證接觸發生瞬時和分離之后碰撞力為零，否則可能出現接觸和分離狀態之間接觸點速度和加速度的高頻“假振蕩”現象，或者數值不收斂。為此，Taylor等[6]基于Newmark積分格式的碰撞初始接觸點速度和加速度的修正形式引入方程，得到穩定數值解。董富祥等[2]引入連續介質力學間斷面理論來求解碰撞初始速度跳躍問題。另一方面，附加約束法等約束優化算法普遍存在由于數值積分誤差累加造成的約束方程違約問題。目前主要有兩大思路解決這一問題，即降階轉為常微分方程法和引入違約修正因子法[7-8]等。前者雖從根本上解決了違約問題，但降階處理常伴隨著新的數值求解精度問題；而后者數值收斂效果依賴于修正因子的選取。

含摩擦碰撞過程存在復雜的接觸邊界非光滑問題[9]，例如：接觸面切向摩擦力與切向相對速度之間的非光滑性導致的黏滯-滑移現象、正/逆滑動方向轉換與法向壓縮/恢復切換不同步、以及摩擦微滑動等問題[10-11]。針對這些問題，Leine等[12]研究了多剛體系統中的沖擊和摩擦的分支非線性問題。Payr等[13]研究了單桿與非彈性半空間碰撞接觸中的黏-滑、正逆向滑動切換等非光滑問題。Zhao等[14]提出了滿足邊界條件的非線性彈簧阻尼模型和切向接觸模型，考慮了碰撞過程中碰撞體之間的微運動，并分析了碰撞與結構柔性之間的耦合作用。姚文莉等[15]基于滑動模式步進算法研究了含鉸摩擦的多剛體系統的碰撞動力學問題，考慮了切向模式的復雜性，解決了碰撞前后能量的不協調性。對于在柔性體中的含摩擦碰撞黏滯-滑移動力學建模和分析還有待進一步探索。

因此，本文運用附加約束法建立了柔性多體系統的含摩擦碰撞動力學模型。將系統分為非碰撞、碰撞初始接觸、切向黏滯碰撞以及切向滑動碰撞四個狀態，分別建立不同的動力學方程。碰撞初始條件采用沖量/動量法求解。根據黏滯/滑移切換條件判斷，采用增減Lagrange乘子的附加約束法求解碰撞過程。并給出了仿真算例，分析了含摩擦碰撞的黏滯/滑移切換現象，驗證了所提出模型和算法的有效性。

1 接觸描述

在重力場下作回轉運動的柔性機械臂上一點P與剛性碰撞面發生點-面斜碰撞，如圖1所示。在柔性機械臂轉軸O處建立描述大范圍運動的慣性坐標系O-XY，碰撞面坐標系為O′-X′Y′，用浮動坐標系O-xy描述柔性梁的運動與變形。桿件的總長度為L，大范圍運動轉角為θ，FN和FT分別為法向、切向接觸力。

圖1 柔性機械臂碰撞示意圖Fig.1 The flexible beam collision schematic diagram

令WP為慣性基到浮動基的轉換矩陣[16]，hP為柔性機械臂運動變形后點P(xP,0)在浮動基中的位置矢量，表示如下：

(1)

式中：ux為軸向高階耦合變形項；uy為橫向彎曲變形項。令碰撞面單位外法向量和切向量分別為nP=[nx,ny]T，τP=[τx,τy]T。

令rQ為Q點在碰撞面中的位置矢量，WQ為慣性基到碰撞面坐標系的轉換矩陣。經過推導歸納，得到碰撞法向間距矢量gN和切向間距矢量gT為

(2)

(3)

式中：Z(xP)為軸向高次耦合形函數矩陣；N為模態截斷數；Φy為橫向模態函數行陣；其中B(t)為橫向模態坐標列陣。

2 系統全局動力學

2.1 系統碰撞初始條件的求解

(4)

(nkxcosθ+nkysinθ)Φy(xP)B

(nkxsinθ-nkycosθ)φyi(xP)

(5)

同理，得到切向列陣dT=[dTθ,dTB1,…dTBN]T其中元素為

(-τkxcosθ-τkysinθ)Φy(xP)B

(-τkxsinθ+τkycosθ)φyi(xP)

(6)

(7)

2.2 系統切向黏滯動力學方程

若接觸對發生黏滯，系統添加法向和切向接觸約束，可得到系統碰撞黏滯階段的微分-代數動力學方程為

(8)

通過推到歸納，黏滯時法向位移約束Jacobi列陣Φz=[Φθ,ΦB1,…,ΦBN]中的元素為

(nkxcosθ+nkysinθ)Φy(xP)B

(-nkxsinθ+nkycosθ)φyi(xP)

(9)

(10)

同理，通過推到歸納，黏滯時切向位移約束Jacobi列陣Γz=[Γθ,ΓB1,…,ΓBN]中的元素為

(-τkxcosθ-τkysinθ)Φy(xP)B

(-τkxsinθ+τkycosθ)φyi(xP)

(11)

(12)

2.3 系統切向滑動動力學方程

若接觸對切向滑動，法向約束依然存在，而切向約束解除。引入切向滑動摩擦力勢能的概念VTs，根據庫倫摩擦定律，VTs表達式如下：

(13)

(14)

2.4 黏滯/滑動狀態切換準則

黏滯/滑移狀態切換準則：連續接觸狀態存在黏滯、正滑移、逆滑移等現象，假設接觸面材料各向同性、正/逆向摩擦因數相同μ，切向接觸力為λT，則連續接觸狀態存在以下4種黏滯/滑動切換情況：

(15)

3 柔性機械臂與斜面含摩擦碰撞仿真算例

柔性梁與斜面發生碰撞，如圖2所示。柔性梁密度ρ=2 766.7 kg/m3，彈性模量E=68.952 GPa，長度L=1.0 m，截面慣性矩I=7.85×10-9m4，截面積S=3.14×10-4m2。令初始無變形的梁從θ=0.125π位置在重力作用下自由下落，梁末端與面發生碰撞，碰撞點處切線為2x+3y=0，摩擦因數μ=0.3。仿真時間為2.0 s，無碰撞階段的步長為1.0×10-4s，碰撞階段的步長為1.0×10-6s，違約修正參數取α=20，β=20。

圖2 斜碰撞示意圖Fig.2 The schematic diagram of oblique collision

圖3是柔性梁末端在基座坐標系中X橫向和Y豎直位移。圖4是整個仿真過程中系統的能量變化。由圖可見：碰撞時能量損失較大；碰撞引發了柔性梁的高階變形和高頻振動，系統的彈性變形勢能變化劇烈；碰撞結束后柔性梁向上反彈，動能又逐漸轉化為勢能，梁的機械能又保持恒定；多次碰撞后，重力勢能逐漸降低至平衡位置為負值。

圖5為2 s內法向碰撞力時程圖。由仿真數據得：法向碰撞力首次高峰值發生在0.373 791 s，第二次高峰值碰撞發生在1.25 s附近，之間有多次小峰值碰撞。其原因是：碰撞發生后梁上靠近碰撞點的區域發生變形和振動，遠端受到的碰撞影響較小仍維持原來的運動狀態；隨著時間的推移，碰撞動力學效應逐漸到達向關節端傳播，并返回再傳至碰撞點，造成第二次碰撞力峰值。由圖可見：接近靜止狀態(t=1.36～1.37 s)時，碰撞引發柔性梁的彈性變形和高頻振動，使得在一次接觸中出現多次的次碰撞。

(a) 軸向位移

(b) 橫向位移圖3 梁末端位移Fig.3 The trajectory of link tip

圖4 柔性梁的機械能變化Fig.4 Energy of the system

圖6是切向碰撞力時程圖。如圖所示：首次切向碰撞力高峰值發生在0.373 791 s，第二次高峰值發生在1.375 s附近。同樣，切向也存在碰撞力的兩次高峰值不連續問題，而與法向碰撞力峰值的出現并不同步。接近系統靜止狀態(t=1.68～1.72 s)時，切向碰撞力的正負號變化頗為頻繁，說明頻繁發生正向滑動、逆向滑動、黏滯轉滑動、滑動轉黏滯等多樣性接觸狀態切換。

圖7為碰撞對的切向滑動位移。如仿真數據得到：碰撞發生后碰撞點的法向和切向相對速度振蕩劇烈。與圖6相對應的，切向滑動位移的正負號變化頗為頻繁，存在多次正向/逆向滑動、黏滯轉滑動、滑動轉黏滯等狀態的頻繁切換。接近系統靜止狀態(t=1.30～1.38 s) 時，碰撞對的滑動位移在微小(黏滯)范圍內反復振蕩，直至靜止。圖8為碰撞對的相對速度切向絕對滑動速度：多次宏觀碰撞、宏觀碰撞中的次碰撞。如圖所示，一次宏觀的碰撞接觸過程中，出現多次次碰撞接觸。而切向接觸在一次宏觀接觸過程中存在多次黏滯-滑動狀態的頻繁切換。

(a) t=0～2 s內

(b) t=1.36～1.37 s內圖5 法向碰撞力Fig.5 The normal impact forces

(a) t=0～2 s內

(b) t=1.68～1.72 s內圖6 切向碰撞力Fig.6 The tangential impact forces

(a) 滑動位移

(b) 微滑動(黏滯)位移圖7 碰撞點切向位移Fig.7 The tangential displacement of contact-pair

(a) 多次宏觀碰撞

(b) 宏觀碰撞中的次碰撞圖8 切向絕對滑動速度Fig.8 The tangential slipping absolute velocity of contact-pair

4 結 論

針對柔性機械臂含摩擦碰撞黏滯-滑移過程，研究了系統變拓撲過程動力學的精確建模和自動切換問題。采用沖量-動量法求解碰撞初始時刻的速度跳躍，避免了速度不協調造成的反復脫開-接觸的高頻“假振蕩”數值問題。引入切向滑動摩擦力勢能的概念得到切向滑動約束方程。給出接觸/分離、黏滯/滑切換準則，建立不同約束條件的動力學方程，解決了碰撞初始速度跳躍和切向摩擦引起的數值不穩定和能量不一致問題。通過仿真算例，分析了黏滯/滑移、正/逆向滑動等復雜切換現象，分析了柔性變形與碰撞的耦合效應，驗證了本文提出的模型和算法的有效性。

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Dynamicsimulationforflexiblemultibodysystemscontainingfrictionalimpactandstick-slipprocesses

QIAN Zhenjie1, ZHANG Dingguo2, JIN Chengqian1

(1. Nanjing Research Institute of Agricultural Mechanization of National Ministry of Agriculture, Nanjing 210014, China；2. School of Sciences, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

The dynamic simulation including modeling and automatic switching for flexible multibody systems was investigated using Lagrange multiplier method and the high order rigid-flexible coupled theory. Based on variable topology idea, dynamic equations and the corresponding constraint conditions were established, respectively for detachment, impact, viscous contact and slip contact states. The impulse-momentum method was used to solve the impact initial conditions. The concept of tangential sliding friction force potential energy was introduced to describe the corresponding generalized impact forces with Lagrange equations. The switching criteria among contact, detachment, stick and slip were built to realize the global dynamic automatic switching of the system. Examples were numerically simulated to analyze the complex non-smooth phenomena including forward/backward slip and slip/stick(micro slip) to verify the effectiveness of the proposed model and algorithms.

frictional impact; stick-slip; contact constraints; flexible robot arm; dynamic modeling

國家自然科學基金青年科學基金(11602120)；國家自然科學基金(11272155;11132007)；國家科技支撐計劃(2013BAD08B02)

2016-07-13 修改稿收到日期：2016-09-24

錢震杰 女，博士，助理研究員，1985年生

金誠謙 男，博士，研究員，1973年生

O313；O322

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.23.006