柔性繩索建模試驗

王雅浩 賈晨星 賈斐

摘 要 根據試驗需求，構建了對柔性繩索進行橫向碰撞沖擊的虛擬試驗場。虛擬試驗場中包含柔性繩索、滑輪、撞擊車、阻尼系統(tǒng)、剛體底盤等。試驗過程是將柔性繩索兩端分別固定在阻尼系統(tǒng)上，實現在碰撞沖擊過程中對柔性繩索的緩沖作用，用兩個定滑輪將柔性繩索分隔開，撞擊車將以不同大小不同方向的初始速度對柔性繩索進行碰撞沖擊試驗。將柔性繩索劃分為許多等長的圓柱體，圓柱體通過柔性梁連接，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，又對柔性繩索分析進行了簡化。

關鍵詞 柔性繩索 建模 試驗

中圖分類號：TH123 文獻標識碼：A

0引言

碰撞沖擊問題是一個較為復雜的經典力學分析問題。對碰撞沖擊問題的研究涉及到很多學科，例如計算力學、動力學、材料力學等。如果要詳細地分析碰撞物體間的運動及受力情況，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、物體材質的熱效應等都是影響碰撞沖擊的關鍵因素。對碰撞沖擊問題的研究有著廣泛的應用，尤其是隨著科學技術的發(fā)展，它在航空、航天、軍事等許多領域的應用價值愈加突出。當前對碰撞沖擊的研究往往需要大量的實際物理試驗，這耗費了大量的時間與資源。

本文研究的虛擬試驗場主要用于對柔性繩索進行碰撞沖擊試驗。本虛擬試驗場對柔性繩索的分析主要是通過動力學建模及動力學方程求解，對柔性繩索的碰撞沖擊試驗主要測試柔性繩索在碰撞沖擊過程中的運動及受力情況。

1碰撞沖擊虛擬試驗場分析

虛擬試驗場進行的試驗種類較多，本文研究的碰撞沖擊試驗場是只針對不同材質的柔性繩索進行橫向碰撞沖擊試驗。虛擬試驗場中包括柔性繩索、定滑輪、阻尼系統(tǒng)、撞擊車及鋼體底盤。試驗大體過程為：將繩體兩端分別固定在阻尼系統(tǒng)上以實現碰撞沖擊過程中對繩體緩沖的作用，用兩個定滑輪將繩體分隔開，使得繩體被撞擊的部分與阻尼系統(tǒng)垂直，撞擊車將以不同大小不同方向的速度對柔性繩索進行碰撞沖擊。

2柔性繩索碰撞沖擊動力學建模

（1）本虛擬試驗場中多剛體系統(tǒng)組成如下：

本虛擬試驗場將多剛體系統(tǒng)分成四個組成部分：構件、約束、作用力分別定義為：

構件：構件指的是具有質量特征的任何剛體或剛體固定件。在本虛擬試驗場中用到的柔性繩索、滑輪、撞擊車由于具有質量特征，都是構件。每個構件建立六個一階運動學方程和六個一階動力學方程。約束：約束是對系統(tǒng)中構件進行的運動方向的限制。由于構件運動包括三個直線方向，三個旋轉方向，所以約束是對其中一個或幾個方向進行的限制。根據約束的個數，本虛擬試驗場對構件創(chuàng)建相對數目的方程。作用力：作用力包括兩類，一類是構件內部產生的作用力，如在本虛擬試驗場中柔性繩索與滑輪之間的壓力及摩擦力；另一類是外界對構件所施加的作用力，如本虛擬試驗場中各構件都受到重力的影響。

（2）多剛體系統(tǒng)的坐標系。

本虛擬試驗場定義了三種坐標系：

地面坐標系：即為系統(tǒng)的絕對坐標系，該坐標系與地面保持不變。本虛擬試驗場中的所有構件相對于地面坐標系都有明確的坐標。局部坐標系：相對于地面坐標系定義的坐標系，這個坐標系隨著構件一起運動，局部坐標系坐標多應用在描述自身內部運動與作用力方面。標記系統(tǒng)：標記系統(tǒng)是構件自身的坐標系，主要有兩類：固定標記和浮動標記。固定標記與構件連為一體，方向和位置是相對于局部坐標系定義的，不會隨著構件位置改變，其主要用于標記構件的三維質心、邊界、約束和作用力。對于某些力和約束本虛擬試驗場使用浮動標記，浮動標記會隨著位置的改變而改變。

基于以上理論，Adams仿真軟件中的impact函數實現了接觸碰撞的多剛體運動與受力分析，碰撞力由兩個部分組成：一個是由于兩個構件之間的相互切入而產生的彈性力；另一個是由于相對速度產生的阻尼力。

下面是建立柔性繩索與撞擊車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結語

虛擬試驗是不依賴或不完全依賴實際硬件環(huán)境而可以完成對產品進行各種試驗的方法和技術。虛擬試驗技術融合了當前虛擬現實技術、數字仿真技術、計算機建模等技術來創(chuàng)建一個可以對產品、技術、裝備進行預先分析評估的虛擬試驗環(huán)境。本文研究搭建一個對柔性繩索進行碰撞沖擊的虛擬試驗場，通過對碰撞沖擊的虛擬試驗可以模擬真實試驗過程，提供真實試驗的預見性數據，為真實試驗做好準備。

參考文獻

[1] 王峰.有限元方法及其在高速碰撞中的應用[D].合肥：中國科學技術大學，2007：40-53.

[2] 金棟等.繩索系統(tǒng)的建模、動力學和控制[J].力學進展，2004（08）：3-4.