二重数值积分方法及其在绝对节点坐标梁单元中的应用研究

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近十几年来,绝对节点坐标法逐渐引起了国内外许多专家学者的关注,相比于传统的建模方法,绝对节点坐标法在处理大范围运动和大变形问题时,具有更高的精度。因此绝对节点坐标法在柔性多体系统动力学中的应用越来越多,关于绝对节点坐标法的论文也在逐年增多,但这些论文大多是研究单元模型的建立方法以及单元弹性力的描述,很少有人专门对单元模型的计算效率和精度进行研究。而求解基于绝对节点坐标法建立的单元模型,重点在于求解该模型的刚度矩阵和内力矩阵,因为单元节点的绝对位移精度完全取决于刚度矩阵和内力矩阵的精度,因此研究新的数值积分方法用于求解刚度矩阵和内力矩阵是一件非常有意义的工作。本文在传统机械求积方法和高斯-勒让德积分方法的基础上,提出了两种新型数值积分方法,并通过实例证明了本文所提出的方法在计算效率和精度上均优于传统的数值积分方法,本文所做的具体工作如下:(1)详细阐述了多体系统动力学和绝对节点坐标法的发展概况以及数值积分方法在柔性多体系统动力学中的研究概况,并介绍了与绝对节点坐标法相关的连续介质力学知识,且对基于绝对节点坐标梁单元的建模过程进行了详细的推导。(2)通过研究传统的机械求积方法和高斯-勒让德积分方法,提出了两种新型数值积分方法:基于一阶导数构造的新型数值积分方法和复合高斯-勒让德积分方法。不同于传统的机械求积方法,基于一阶导数构造的新型数值积分方法将积分求值问题归结为被积函数值和其一阶导数值的计算,可避免求解被积函数的原函数;高斯-勒让德积分方法可用较少的节点数得到较高精度的结果,是一种很常用的数值积分方法,但当积分区间较大时,高斯-勒让德积分方法的求积精度并不理想,为解决这一问题,本文对高斯-勒让德积分方法进行了复化处理,推导出复合高斯-勒让德积分方法,该方法可有效避免高斯-勒让德积分方法因积分区间变大而导致求积精度降低的缺陷。(3)分别采用Omar和Shabana提出的位移模式和Kerkkanen提出的位移模式对实例进行建模,然后采用本文提出的两种新型数值积分方法对模型的刚度矩阵和内力矩阵进行求解,并将最终的求解结果与采用高斯-勒让德积分方法求得的结果进行对比。结果表明,本文所提出的方法在计算效率和精度上均优于高斯-勒让德积分方法。
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