柔性绳索建模试验

王雅浩 贾晨星 贾斐

摘 要 根据试验需求，构建了对柔性绳索进行横向碰撞冲击的虚拟试验场。虚拟试验场中包含柔性绳索、滑轮、撞击车、阻尼系统、刚体底盘等。试验过程是将柔性绳索两端分别固定在阻尼系统上，实现在碰撞冲击过程中对柔性绳索的缓冲作用，用两个定滑轮将柔性绳索分隔开，撞击车将以不同大小不同方向的初始速度对柔性绳索进行碰撞冲击试验。将柔性绳索划分为许多等长的圆柱体，圆柱体通过柔性梁连接，这样使得模型既保持了柔性绳索整体可弯曲、可缠绕的特性，又对柔性绳索分析进行了简化。

关键词 柔性绳索 建模 试验

中图分类号：TH123 文献标识码：A

0引言

碰撞冲击问题是一个较为复杂的经典力学分析问题。对碰撞冲击问题的研究涉及到很多学科，例如计算力学、动力学、材料力学等。如果要详细地分析碰撞物体间的运动及受力情况，需要考虑很多因素。碰撞物体的几何外形、碰撞物体的硬度、接触力及摩擦力、物体材质的热效应等都是影响碰撞冲击的关键因素。对碰撞冲击问题的研究有着广泛的应用，尤其是随着科学技术的发展，它在航空、航天、军事等许多领域的应用价值愈加突出。当前对碰撞冲击的研究往往需要大量的实际物理试验，这耗费了大量的时间与资源。

本文研究的虚拟试验场主要用于对柔性绳索进行碰撞冲击试验。本虚拟试验场对柔性绳索的分析主要是通过动力学建模及动力学方程求解，对柔性绳索的碰撞冲击试验主要测试柔性绳索在碰撞冲击过程中的运动及受力情况。

1碰撞冲击虚拟试验场分析

虚拟试验场进行的试验种类较多，本文研究的碰撞冲击试验场是只针对不同材质的柔性绳索进行横向碰撞冲击试验。虚拟试验场中包括柔性绳索、定滑轮、阻尼系统、撞击车及钢体底盘。试验大体过程为：将绳体两端分别固定在阻尼系统上以实现碰撞冲击过程中对绳体缓冲的作用，用两个定滑轮将绳体分隔开，使得绳体被撞击的部分与阻尼系统垂直，撞击车将以不同大小不同方向的速度对柔性绳索进行碰撞冲击。

2柔性绳索碰撞冲击动力学建模

（1）本虚拟试验场中多刚体系统组成如下：

本虚拟试验场将多刚体系统分成四个组成部分：构件、约束、作用力分别定义为：

构件：构件指的是具有质量特征的任何刚体或刚体固定件。在本虚拟试验场中用到的柔性绳索、滑轮、撞击车由于具有质量特征，都是构件。每个构件建立六个一阶运动学方程和六个一阶动力学方程。约束：约束是对系统中构件进行的运动方向的限制。由于构件运动包括三个直线方向，三个旋转方向，所以约束是对其中一个或几个方向进行的限制。根据约束的个数，本虚拟试验场对构件创建相对数目的方程。作用力：作用力包括两类，一类是构件内部产生的作用力，如在本虚拟试验场中柔性绳索与滑轮之间的压力及摩擦力；另一类是外界对构件所施加的作用力，如本虚拟试验场中各构件都受到重力的影响。

（2）多刚体系统的坐标系。

本虚拟试验场定义了三种坐标系：

地面坐标系：即为系统的绝对坐标系，该坐标系与地面保持不變。本虚拟试验场中的所有构件相对于地面坐标系都有明确的坐标。局部坐标系：相对于地面坐标系定义的坐标系，这个坐标系随着构件一起运动，局部坐标系坐标多应用在描述自身内部运动与作用力方面。标记系统：标记系统是构件自身的坐标系，主要有两类：固定标记和浮动标记。固定标记与构件连为一体，方向和位置是相对于局部坐标系定义的，不会随着构件位置改变，其主要用于标记构件的三维质心、边界、约束和作用力。对于某些力和约束本虚拟试验场使用浮动标记，浮动标记会随着位置的改变而改变。

基于以上理论，Adams仿真软件中的impact函数实现了接触碰撞的多刚体运动与受力分析，碰撞力由两个部分组成：一个是由于两个构件之间的相互切入而产生的弹性力；另一个是由于相对速度产生的阻尼力。

下面是建立柔性绳索与撞击车之间接触力的命令脚本。

defaults model model_name=.rope

variable create variable_name=ip integer_value=24

while condition=（ip<=38）

contact create &

contact_name = （eval（".rope.contact_"//ip+10000）） &

adams_id = （eval（ip+10000）） &

i_geometry_name = .rope.PART.CSG_91 &

j_geometry_name = （eval（".rope.part_"//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结语

虚拟试验是不依赖或不完全依赖实际硬件环境而可以完成对产品进行各种试验的方法和技术。虚拟试验技术融合了当前虚拟现实技术、数字仿真技术、计算机建模等技术来创建一个可以对产品、技术、装备进行预先分析评估的虚拟试验环境。本文研究搭建一个对柔性绳索进行碰撞冲击的虚拟试验场，通过对碰撞冲击的虚拟试验可以模拟真实试验过程，提供真实试验的预见性数据，为真实试验做好准备。

参考文献

[1] 王峰.有限元方法及其在高速碰撞中的应用[D].合肥：中国科学技术大学，2007：40-53.

[2] 金栋等.绳索系统的建模、动力学和控制[J].力学进展，2004（08）：3-4.