多体动力学模型中含附加哑元和驱动的组合约束构建方法技术

本发明专利技术提供一种多体动力学模型中含附加哑元和驱动的组合约束构建方法，该方法通过附加哑元与收敛骨架中面曲线的点线高副约束，并借助A8滚子对哑元的在线约束来实现对哑元的带动，同时根据机构的几何尺寸用A8环行程解析表达了A8滚子与收敛骨架中面曲线切点的法线方向角，并按该角度值对A8滚子进行驱动，确保哑元始终处于A8滚子跟骨架中面曲线的切点，同时在A8滚子与哑元间附加滚子轴方向的双向限位力以防止A8环出现大角度转动，该方法可有效剔除线线高副约束所产生的过约束，仿真应用表明本发明专利技术方法在确保仿真稳定性的条件下，能同时兼顾运动、受载与传力特性的保真，有效避免了自动过约束剔除所出现的结果偏差。

A Constructing Method of Composite Constraints with Additional Dummy Elements and Drives in Multibody Dynamics Model

The invention provides a method for constructing combined constraints including additional dummy elements and driving in multi-body dynamics model. The method drives dummy elements by adding dummy elements and high pair constraints of points and lines of convergent skeleton mid-surface curve, and realizes on-line constraints of dummy elements by means of A8 roller. At the same time, according to the geometric size of mechanism, the tangent of A8 roller and convergent skeleton mid-surface curve is expressed analytically by A8 loop stroke. The normal direction angle of the point and the driving of the A8 roller according to the angle value ensure that the dummy element is always at the tangent point of the middle surface curve of the A8 roller skeleton. At the same time, the two-way limit force in the direction of the roller axis is added between the A8 roller and the dummy element to prevent the A8 ring from turning at a large angle. This method can effectively eliminate the excessive restriction caused by the constraint of the high pair of the line. The simulation application shows that the method of the present invention is in ensuring the high pair of the line. Under the condition of simulation stability, the fidelity of motion, load and transmission characteristics can be considered simultaneously, and the result deviation caused by automatic over-constrained elimination can be effectively avoided.

【技术实现步骤摘要】
多体动力学模型中含附加哑元和驱动的组合约束构建方法
本专利技术属于航空发动机的
，具体涉及一种多体动力学模型中含附加哑元和驱动的组合约束构建方法，应用于轴对称矢量喷管机构的建模仿真中。
技术介绍
轴对称推力矢量控制技术(ThrustVectorControl，TVC)推力损失小，可实现全方向矢量推进，且易于改装，是当前国内四代及四代以上需超机动能力的战斗机所必不可少的关键技术。这种喷管装置构成运动部件多(800多个)、结构复杂、部件间大部分约束依靠接触实现，而局部环节则因形成封闭约束环而存在数值上的过约束，即：微分方程的数目少于几何约束的代数方程的数目，它是一种总体高度欠约束、而局部却又过约束的复杂空间机构，其中的过约束环节主要有A8环与收敛骨架间的线线高副约束、立式协同装置的封闭铰链环等环节。收敛骨架是一端与轴对称矢量喷管的加力筒体铰接，如图2中的A点即为铰接点，并对喷管收敛段起支撑和调节作用的一个构件，其绕加力筒体的旋转运动即可达到调节喷管喉部面积的作用；A8环是轴对称矢量喷管中用来调节喷管喉部面积的主要驱动部件，它在六个作动筒的驱动作用之下，能沿发动机轴线方向往复运动，进而借助与其铰链约束的A8滚子与收敛骨架之间的线线高副约束来驱动收敛骨架绕与加力筒体的铰链轴旋转，最终实现对喷吼面积的调节；A8滚子与A8环是固定约束，A8环的一圈均匀固结着15个A8滚子，A8滚子与收敛骨架之间的线线高副是借助一套约束机构和收敛骨架所受到的气动载荷(来源于收敛段)的共同作用，将A8滚子表面压紧在收敛骨架的配合面上，从而实现A8滚子与收敛骨架的线线高副约束。针对A8环、A8滚子与收敛骨架之间的线线约束关系，其微分方程组个数为(1+15+15)x6＝186，约束代数方程数包含一个A8环轴线方向的驱动，A8环与A8滚子之间的15个固定约束，收敛骨架与加力筒体之间的15个铰链约束，外加收敛骨架与A8滚子间的15个线线高副约束，其约束方程数为(1+15x6+15x5+15x5)＝241，很显然186-241＝-55，是典型的局部过约束。在进行动力学建模仿真的过程中，对过约束的处理，一些仿真平台(如：MSC.ADAMS)具有自动剔除过约束的功能，但该功能不够完善，当机构过于复杂时，其过约束的剔除往往会改变机构的运动、受载及传力特性，从而使仿真结果丧失可信性，因此，合理地手工剔除过约束在复杂机构的动力学建模仿真中就显得尤为重要。现有的一些计算方法包括1、针对A8滚子与收敛骨架采用接触算法建模，其缺点在于计算量非常庞大；2、针对A8滚子与收敛骨架采用常规的线线高副约束，这样会造成整个机构的过约束，导致受载与传力特性和实际情况不符。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种多体动力学模型中含附加哑元和驱动的组合约束构建方法，该方法通过驱动、附加哑物体和约束的有机结合，既保证了机构运动特性的保真，同时又能剔除A8滚子与收敛骨架间因线线高副约束所产生的过约束，从而有效解决轴对称矢量喷管(TVC)多体动力学仿真中因A8环与收敛骨架间的线线高副过约束所导致的运动、受载和传力特性不正确的问题。实现本专利技术的技术方案如下：一种多体动力学模型中含附加哑元和驱动的组合约束构建方法，包括以下步骤：步骤一、以参数化的形式表达轴对称矢量喷管的收敛骨架中面曲线；步骤二、在A8滚子与收敛骨架中面曲线的接触位置处添加一个哑物体，在哑物体与收敛骨架中面曲线之间设置点线约束，使哑物体只能沿着收敛骨架中面曲线上滑动，同时在哑物体和A8滚子间还设置在线约束，让哑物体只能在A8滚子外轮廓面上且平行于A8滚子轴线的方向相对运动，A8滚子与A8环铰链约束，并在铰链约束处添加旋转角度驱动，确保A8滚子与中面曲线始终处于相切状态，且切点与哑物体重合；步骤三、在哑物体和A8滚子间定义矢量力，矢量力的分量大小为Fx＝0，Fy＝0，其中，δ为收敛骨架侧面与滚子支耳间隙，z为哑物体相对于A8滚子的位移量，k为接触刚度，e为接触指数，sign是符号函数，z方向即为A8滚子轴线的方向；至此，就完成了收敛骨架与A8滚子间组合约束的构建。进一步地，所述角度驱动的大小为：其中，L1为收敛骨架与加力筒体的铰点到收敛骨架工作段圆弧圆心的距离，L2为A8滚子中心到收敛骨架工作段圆弧圆心的距离，L为收敛骨架与加力筒体的铰点与A8滚子中心的距离在矢量喷管中轴线的投影，e为偏心距。有益效果：本专利技术提供了一种多体动力学模型中含附加哑元和驱动的组合约束构建方法，用以克服现有的A8滚子与收敛骨架间线线高副约束所产生的过约束的问题，或克服A8滚子与收敛骨架间的接触建模的计算规模过大的问题，该组合约束构建方法计算稳定性好、仿真精度高且计算效率优，将接触计算的数小时的计算时间缩短为几分钟，而且能实现机构运动、受载和传力特性的保真。附图说明图1为矢量喷管收敛段的模型。图2(a)为收敛骨架的工作面轴测图，图2(b)为收敛骨架的工作面侧视图。图3为A8滚子和收敛骨架仿真模型的约束结构图。图4为A8滚子与收敛骨架间组合约束模型拓扑图。图5为A8滚子、哑物体及收敛骨架约束简化拓扑结构图。图6为A8滚子驱动角度的计算示意图。图7为A8滚子与收敛骨架约束力对比。具体实施方式下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细描述。本专利技术提供了一种多体动力学模型中含附加哑元和驱动的组合约束构建方法，包括以下步骤：步骤一、以参数化的形式表达轴对称矢量喷管的收敛骨架中面曲线；如图1和图2(a)、(b)所示，根据收敛骨架工作面解析表达的离散采样获取收敛骨架中面曲线的样条曲线。具体的实施是采用MSC.ADAMS的宏命令语言编写样条曲线的循环采样代码，以参数化方式来表述收敛骨架中面曲线的采样坐标点的坐标(用MATRIX对象予以存储)，然后在样条曲线中引用该MATRIX即可生成相应收敛骨架的中面曲线。步骤二、在A8滚子与收敛骨架中面曲线的接触位置处添加一个哑物体，在哑物体与收敛骨架中面曲线之间设置点线约束(PointtoCurveJoint，PTCVJoint)，使哑物体只能沿着收敛骨架中面曲线上滑动，同时在哑物体和A8滚子间还设置在线约束(InlineJoint)，让哑物体只能在A8滚子外轮廓面上且平行于A8滚子轴线的方向相对运动，而A8滚子与A8环铰链约束(RevoluteJoint)，并在铰链约束处添加旋转角度驱动(RotationalJointMotion)，驱动角度大小由哑物体所在位置处收敛骨架中面曲线的法线方位确定。这样，当A8环运动时，将借助在线约束(InlineJoint)和旋转角度驱动(RotationalJointMotion)的共同作用，自动带动哑物体沿收敛骨架中面曲线运动，保证A8滚子与收敛骨架中面曲线的相切(见图3、图4和图5)，且切点与哑物体重合；这些建模单元的构建可以借助MSC.ADAMS的宏命令语言予以实现。A8滚子驱动角度计算：在图6中，OJ为骨架与加力筒体的铰点，固定不动；OZ为A8滚子中心，只能沿水平方向运动；OR为骨架工作段圆弧圆心，只能绕OJ转动；OH为喉道与收敛骨架在喷吼位置处的轴支耳的切点(如图2所示的收敛骨架在喉部轴耳与发动机轴线平行线的切点OH)，OS为收敛调节片末端中铰点，且OH和OS的运动与直本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多体动力学模型中含附加哑元和驱动的组合约束构建方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、以参数化的形式表达轴对称矢量喷管的收敛骨架中面曲线；步骤二、在A8滚子与收敛骨架中面曲线的接触位置处添加一个哑物体，在哑物体与收敛骨架中面曲线之间设置点线约束，使哑物体只能沿着收敛骨架中面曲线上滑动，同时在哑物体和A8滚子间还设置在线约束，让哑物体只能在A8滚子外轮廓面上且平行于A8滚子轴线的方向相对运动，A8滚子与A8环铰链约束，并在铰链约束处添加旋转角度驱动，确保A8滚子与中面曲线始终处于相切状态，且切点与哑物体重合；步骤三、在哑物体和A8滚子间定义矢量力，矢量力的分量大小为Fx＝0，Fy＝0，

【技术特征摘要】
1.一种多体动力学模型中含附加哑元和驱动的组合约束构建方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、以参数化的形式表达轴对称矢量喷管的收敛骨架中面曲线；步骤二、在A8滚子与收敛骨架中面曲线的接触位置处添加一个哑物体，在哑物体与收敛骨架中面曲线之间设置点线约束，使哑物体只能沿着收敛骨架中面曲线上滑动，同时在哑物体和A8滚子间还设置在线约束，让哑物体只能在A8滚子外轮廓面上且平行于A8滚子轴线的方向相对运动，A8滚子与A8环铰链约束，并在铰链约束处添加旋转角度驱动，确保A8滚子与中面曲线始终处于相切状态，且切点与哑物体重合；步骤三、在哑物体和A8滚子间定义矢...

【专利技术属性】
技术研发人员：王汉平，张哲，张昊，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11