Full Text

Введение Проблемам математического моделирования нелинейной динамики составных стержневых систем посвящено большое число работ, и интерес к этой теме не ослабевает [1-29, 36]. Рост числа публикаций и их тематическое разнообразие определяются прежде всего многочисленными практическими приложениями, сочетающими конструктивные особенности стержневых систем с условиями их применения. Стержневые системы могут быть как жесткими, так и гибкими, значительно менять свою первоначальную конфигурацию в результате деформации или трансформирования с помощью исполнительных механизмов. В стержневых системах некоторые из элементов могут трактоваться как жесткие, упругие и неупругие связи, в том числе - односторонние, например в виде троса или нити, сопротивляющиеся только растяжению [2, 5, 8, 11, 12]. Известно множество примеров использования стержневых систем в наземных условиях. Опыт показывает, что стержневые системы могут успешно применяться и в космических условиях [4, 6, 7, 17, 19]. В настоящее время представляют значительный научный интерес задачи о динамическом поведении космических конструкций, которые собираются или развёртываются в условиях орбитального движения с использованием стержневых элементов или секций. Примерами являются фермы большого удлинения, длинные штанги для точных физических измерений или гравитационной стабилизации, манипуляторы антропоморфного типа и пр. Условия невесомости позволяют создавать легкие конструкции. Однако снижение погонных массовых характеристик приводит к увеличению гибкости, что необходимо учитывать в динамических моделях. Конструкции становятся чувствительными по отношению к внешним и внутренним возмущениям. Это ставит ряд проблем перед конструкторами и разработчиками систем управления. Трудности усугубляются возможностью изменения конфигурации, а также высокими требованиями к точности управления движением системы в целом и отдельными её элементами или к точности сохранения формы (например, для телескопов или интерферометров). Таким образом, динамическое деформирование стержневых конструкций может носить существенно нелинейный характер, сопровождаться большими перемещениями и углами поворотов, и конечными деформациями. Это ведет к проблеме создания адекватных математических моделей, опирающихся на нелинейные геометрические соотношения [1-4, 6, 7, 10, 13-15, 17, 23, 27-29]. 1. Формулировка модели. Основные допущения В работе моделируется динамическое поведение движущейся конструкции, составленной из гибких стержневых элементов, которые соединяются через шарниры. Предполагается, что в шарнирах есть связи - жесткие и нежесткие, управляемые и неуправляемые. Математически они считаются дифференциальными в интегрируемой или неинтегрируемой формах. Как известно, характерная особенность стержневых элементов - значительное превалирование одного габаритного размера над остальными. Это позволяет использовать в расчётах балочные модели, которые строятся на основе классической гипотезы плоских сечений или на её уточнённых вариантах [18, 32]. Стержневые элементы могут иметь произвольную форму поперечного сечения, быть в виде тонкостенных или трубчатых стержней. Они могут быть изготовлены из композиционных материалов или иметь многослойную проволочную структуру подобно проводу воздушных линий электропередачи. В таких случаях деформации сдвига распределяются в поперечном сечении неравномерно, что приводит к его депланации. Гипотеза плоских сечений позволяет приближенно учесть деформацию сдвига на основе модели Тимошенко [32]. В этом случае сечения не остаются перпендикулярными выбранной осевой линии: оставаясь плоскими и недеформированными, они поворачиваются и сдвигаются друг относительно друга как абсолютно жесткие диски бесконечно малой толщины. Рассмотрим произвольное сечение стержневого элемента. На рис. 1 это сечение обозначено как C, штрихпунктирной линией изображена осевая линия. С сечением свяжем прямоугольную систему координат , совмещая начало координат (полюс) с точкой сечения, принадлежащей осевой линии. Ось направим перпендикулярно сечению. Обозначим через радиус-вектор произвольной точки сечения относительно полюса . Введем систему координат , движущуюся относительно некоторой неподвижной (инерциальной) координатной системы . Через и обозначим радиусы-векторы полюса в системах и соответственно. Пространственное положение подвижного полюса в системе будем определять радиусом-вектором . В этой же системе положение точки будем определять радиусом-вектором . Рис. 1. Взаимная ориентация координатных систем Fig. 1. The mutual orientation of the coordinate systems Очевидно, что . (1) Модель стержневой системы будем строить на основе метода конечных элементов [17, 33-35], учитывая конечные деформации и нелинейности инерционных сил. Каждый конечный элемент связывается с местной системой координат , которая в дальнейшем называется также локальной, или элементной. Перемещения, углы поворотов, поступательные и вращательные скорости этой системы, совершающей движение совместно с элементом относительно системы , учитываются строго. Функции формы выбираются в виде квазистатических аппроксимаций локальных перемещений и углов поворотов сечений стержневого элемента в переменных . В качестве обобщенных координат задачи (t - время; i - порядковый номер) принимаются абсолютные перемещения и углы поворотов краевых сечений конечных элементов модели. Уравнения движения системы составляются на основе принципа Даламбера-Лагранжа [17, 31, 34]: (2) где - вариация потенциальной энергии системы; , - вариации работы внешних и инерционных сил. Пусть V и S - объем и площадь поверхность стержневого элемента, p и G - векторы поверхностной и объемной внешней нагрузки, - массовая плотность материала. Тогда , , (3) где и - ускорение точки и вариация её положения. Будем считать, что на обобщенные координаты системы наложены m связей, линейных относительно скоростей : ; . (4) Если связи голономны и имеют вид , то . Применяя синхронное варьирование, запишем вариации связей в фиксированный момент времени. Аналогично (4) имеем ; . (5) Вариация функционала задачи, для которого ищется стационарное значение, преобразуется путём прибавления левых частей дополнительных условий (5), умноженных на неопределённые множителя Лагранжа. Вариационная задача для преобразованного функционала решается как свободная. Условия стационарности вместе с дифференциальными условиями (4) определяют искомые значения обобщенных координат и множители Лагранжа. Вывод уравнений движения из вариационного соотношения (2) с учётом связей в виде (4) представляет собой нетривиальную задачу. Интегрирование по V и S в (3) с учётом выбранных функций формы и нелинейных соотношений для деформаций и инерционных сил сопровождаются весьма сложными вычислениями. Для преодоления этих трудностей многие авторы пользуются достаточно «сильными» допущениями, редуцируя модель и пренебрегая рядом величин в уравнениях движения, считая их влияние несущественным. Ниже предлагается подход, позволяющий избежать громоздких вычислений без упрощения физической модели и (или) изменения первоначальной структуры уравнений. Для простоты изложения далее ограничимся плоской задачей, считая, что упругие оси элементов совершают движение в одной плоскости. В недеформированном состоянии оси стержневых элементов считаются прямолинейными. 2. Динамика в плоскости Рис. 2. Конечный элемент и связанная с ним локальная система координат Fig. 2. Finite element and its associated local coordinate system Привязку местной системы к элементу можно осуществлять по-разному. Полюс можно совместить с точкой пересечения продольной оси стержня и краевого поперечного сечения, направив ось перпендикулярно сечению стержня. Возможны и другие варианты. В работе связь местной системы координат с элементом осуществляется так, чтобы ось проходила через полюсы краевых сечений "0" и "1", как это показано на рис. 2. 2.1. Функции формы Осевую линию стержневого элемента будем считать нейтральной. Рассмотрим в плоскости сечения произвольную точку , отстоящую от оси на расстоянии . Считая угол поворота сечения в системе малым, приближенно имеем , где - перемещение осевой точки сечения по оси (рис. 3). Обозначим через деформацию сдвига, осредненную по сечению, например, в энергетическом смысле. Эта величина представляет собой угол отклонения нормали сечения от касательной к осевой линии. Если - продольное перемещение точки (вдоль оси ), то . Интегрирование этого соотношения по y с учётом преобразования даёт , где - продольное перемещение нейтральной линии ; - угол поворота сечения; . Здесь и далее величины со штрихом обозначают производные по локальной координате x. Рис. 3. Кинематические и статические факторы в сечении стержня Fig. 3. Kinematic and static factors in the cross-section of a rod В пределах конечного элемента перемещением далее будем пренебрегать. Тогда , . Получим выражения для изгибающего момента M, поперечной силы Q и продольной силы N, действующие в сечении стержня. Напряжения и связаны с деформациями и соотношениями упругости: , ; E и G - модули Юнга и сдвига. Поэтому (6) где - момент инерции сечения; - эквивалентная площадь поперечного сечения, работающая на сдвиг. При вычислении продольной силы будем использовать нелинейное выражение для осевой деформации в виде (7) Тогда (8) где F - площадь поперечного сечения. С учётом (6), (8) потенциальная энергия стержневого элемента длины l записывается в виде . (9) Уравнения статического равновесия получим на основе вариационного принципа Лагранжа, минимизируя функционал (9) без учета энергии растяжения-сжатия (полагая ). Из условия равенства нулю вариации потенциальной энергии с использованием (6) приходим к однородной системе уравнений относительно и : . (10) Здесь - безразмерный коэффициент, характеризующий осреднённый сдвиг, . (11) Если пренебречь сдвигом, т.е. , тогда . Решением (10) является следующее: , (12) где - постоянные интегрирования. Их значения находятся из граничных условий: и , . С учетом найденных значений для констант решение (12) записывается в виде (13) где функции формы (14) переменная - безразмерная локальная координата ( ). Определим продольную (осевую) деформацию , считая её величиной постоянной в пределах элемента. Из (7) имеем , откуда следует выражение для продольного перемещения . (15) Перемещения краевых сечений , . Тогда из (15), после интегрирования по координате от 0 до l, получаем . Отсюда следует выражение для деформации в виде (16) В свою очередь, продольное перемещение , (17) где - расстояние между полюсами краевых сечений, которое выражается через абсолютные координаты полюсов по формуле . (18) Угол наклона элементной системы координат связан с этими координатами соотношениями . (19) 2.2. Вариация потенциальной энергии деформации Интегрирование в (9) с учётом выражений (6) и (16) приводит к выражению , (20) где . Из рис. 2 следуют простые геометрические соотношения , . (21) Тогда , и вместо (20) имеем . (22) Продольная сила в (22) . (23) Введем вектор обобщенных координат элемента в виде . (24) Вариация , (25) где вектор-столбец . (26) Дифференцируя (22) по обобщенным координатам, получим (27) Здесь введены обозначения: , Объединяя (27) в матричной форме, имеем также , (28) где - векторы-столбцы, элементы которых суть символы Кронекера: . (29) Векторы-столбцы , имеют вид, аналогичный (26) с заменой U на или соответственно. Дифференцирование (16) и (19) по обобщенным координатам приводит к выражениям (30) (31) Тригонометрические функции в (30), (31) определяются формулами (19). 2.3. Вариация работы инерционных сил Проекциями векторов и на оси инерциальной координатной системы являются , и , . Величины и представляют собой проекции на подвижные оси и . Тогда (32) Учитывая (21), выражение для из (13) перепишем в виде , (33) где введена вспомогательная функция . (34) Принимая и учитывая (33), вместо (32) имеем (35) Запишем выражение для из (3). Обозначим через проекции вектора на оси системы . Тогда компоненты ускорения и вариации координат точки имеют соответственно вид (36) . (37) На основании (36), (37) скалярное произведение . (38) Тогда вариация работы инерционных сил (39) где - погонная масса стержневого элемента; - локальная координата центра массы сечения; - массовый момент инерции. Для упрощения вычислений правой части (39) введем далее иерархическую систему матричных обозначений и воспользуемся теоремой о дифференцировании сложной функции. Рассматривая X и Y как функции обобщенных координат (24), формально имеем . (40) Определим и . Из (35) видно, что координаты X и Y можно рассматривать как сложные функции вида , . (41) Тогда , , (42) где , - части X и Y, содержащие явно элементы . Нетрудно видеть, что . Дифференцирование последних равенств по , считая величиной фиксированной, даёт , (43) Остальные элементы (42), зависящие от x, имеют вид (44) (45) Введём вектор, зависящий только от x: . (46) Это позволяет переписать (43)-(45) следующим образом: где векторы даются (29). С учётом этих выражений формулы (42) запишем в матричной форме: , где матрицы и формируются столбцами (47) Теперь формулы (40) принимают вид . (48) Дифференцируя (48) по времени, получаем компоненты ускорения: . (49) Столбцы матриц и получаются дифференцированием по времени (52). Соответствующие формулы в статье опущены. Получим теперь выражения для инерционных членов, связанных с вращением сечения. Учитывая (21), формулу для из (13) перепишем в виде , (50) где введена вспомогательная функция . (51) Тогда угол поворота сечения . Введём вектор, зависящий только от x: . (52) Тогда угловую скорость можно записать в виде , (53) где матрица . (54) Возводя в квадрат (53), имеем . (55) Дифференцируя (53), получаем угловое ускорение , (56) причём . (57) Получим выражения для вариаций , и , входящих в (39). По аналогии с (48) имеем . (58) Вариация угла поворота сечения . (59) Подстановка (49), (55), (56), (58), (59) в (39) даёт (60) где матрицы , , , . (61) После интегрирования по x для элементов матриц , последовательно имеем (62) (63) При вычислении элементов матриц и удобно использовать выражения которые сводят процедуру интегрирования к последовательности однотипных операций. Функция даётся (51). В результате для элементов симметричной матрицы имеем (64) Преобразуем выражение для , содержащее . Очевидно, что представляет собой матрицу , а величина - столбец . Поэтому произведение представляет собой матрицу размерностью вида . Подстановка этого соотношения в выражение для из (61) приводит к матрице (65) где . (66) В результате интегрирования (66) по x получаем выражения для элементов симметричных матриц размерностью (67) (68) (69) (70) Таким образом, все матрицы в (60) нами определены. 2.4. Учёт сосредоточенных масс Стержневые конструкции, как правило, состоят из стержневых элементов и набора твёрдых тел. Для общности будем считать, что концы каждого стержневого элемента жестко связаны с твёрдыми телами. Примем, что размеры их малы по сравнению с длиной элемента. Это позволяет массовые характеристики тел: массу, массовые статические моменты и массовый момент инерции сосредоточить в полюсах узловых сечений. Твёрдые тела будем обозначать «0» и «1» соответственно нумерации краевых сечений. Каждое тело свяжем с системой координат так, чтобы ось Рис. 4. Присоединённые массы элемента и связанные с ними координатные системы Fig. 4. Joined to the element masses and its coordinate systems была направлена по нормали к краевым сечениям стержня, как это показано на рис. 4. В этом случае углы поворота твёрдых тел, ассоциированных с узлами «0» и «1», соответственно равны и . Для каждого твёрдого тела объёмом , выполненного из условного материала с массовой плотностью , имеем [31] (71) Здесь - масса k-го тела; , - массовые статические моменты тела относительно осей и соответственно; - массовый момент инерции тела относительно оси . Имеем также , , , где , - координаты центра тяжести k-го тела, - его радиус инерции. Представим вектор q (24) в виде , где , . Тогда для твёрдых тел вместо (71) имеем . (72) Здесь матрицы (73) Для суммы на основании (72), (73) имеем выражение , (74) в правой части которого матрицы . (75) В итоге вариация работы инерционных сил стержневого элемента с массами по его концам представляет собой сумму , (76) где , определяются выражениями (60) и (74). 2.5. Вариация работы внешних сил Обозначим компоненты внешней погонной силы через и через внешний погонный момент. Будем также считать, что в узлах элемента действуют сосредоточенные силы с компонентами и моменты . Введем вектор узловых силовых факторов . Тогда вариация работы внешних сил или, с учётом (58), (59), (77) где (78) - вектор обобщенных сил. Если считать, что погонная нагрузка распределяется по длине элемента линейно, т.е. , то после интегрирования вместо (78) имеем (79) где , - первые и вторые столбцы матриц , с элементами (62), (63). 2.6. Уравнения движения Пронумеруем конечные элементы от 1 до N и обозначим через вектор обобщенных координат k-го элемента (24). Тогда вариационное уравнение (2) для k-го элемента можно записать в виде . (80) Здесь - матрица масс k-го элемента, где - матрица присоединённых масс в виде (75); - матрица массы собственно стержневого элемента в виде ; (81) вектор-столбец (82) представляет собой сумму нелинейных инерционных сил, нелинейных сил упругости и обобщенных внешних сил. Правые части (81) и (82) зависят от номера элемента, который как индекс для упрощения записи опущен. Для системы элементов, образующих конструкцию, имеем . (83) Группировка множителей при одинаковых вариациях обобщенных координат (ассемблирование) позволяет переписать (83) в виде , (84) где - вектор-столбец всех обобщенных координат задачи, где индекс i - порядковый номер узла конечно-элементной сетки стержневой системы; - матрица масс системы; - суммарный вектор-столбец силовых факторов системы, соответствующих обобщенным координатам. Рассмотрим далее случай последовательного соединения стержневых элементов, когда -му элементу сопоставляются узлы с номерами и . Вектор-столбец (24) представим в виде , где , , . Соответственно такому разбиению элементную матрицу масс и вектор-столбец представим в блочной форме . Это позволяет переписать уравнение (83) в виде (85) откуда видна структура - матрицы масс системы, которая образуется матричными блоками , где , являются диагональными матричными элементами . Будем считать, что стержневые элементы последовательно соединяются посредством шарниров, которые создают упругое сопротивление изменению углов между осями соседних элементов. Рассмотрим сочленение стержневых элементов с номерами и k. Пусть - угол установки нейтрального положения пружины, а - её жесткость. Потенциальная энергия всех пружин . Тогда вариация . (86) Из (86) видно, что элементами вектора-столбца с номерами , являются соответственно величины и , где представляет собой упругий момент в шарнире k-го узла. Остальные - нулевые. Аналогичным образом можно учесть силы демпфирования в шарнирных соединениях. В случае вязкого демпфирования вариация их работы , (87) где вектор-столбец формируется аналогично . На основании (86), (87) величины и в правой части выражения для (82) следует заменить на и . Вариации обобщенных координат задачи не являются свободными, поскольку на них наложены кинематические связи в виде (5). Уравнения связей (4) запишем в матричной форме , (88) где . Тогда синхронное варьирование условий (88) приводит к дополнительным кинематическим связям между вариациями обобщенных координат в виде . (89) Для учёта (89) в уравнениях движения введём неопределённые множители Лагранжа. Считая первые элементов вектора-столбца независимыми, представим его в виде , (90) где , . В соответствии с таким разбиением матрицу запишем как , (91) где (92) представляют собой матричные блоки размерностью и соответственно. Аналогично разбиению (90) вектор-столбец в (84) представим в виде . (93) Преобразуем теперь (84), используя обозначения (90), (91), (93) и добавляя к левой части (84) левую часть (89), умноженную слева на вектор неопределенных множителей Лагранжа . В результате вместо (84) имеем . (94) Множители Лагранжа (элементы ), определим из условия , откуда имеем . Подстановка этого выражения в (94) приводит к равенству или , (95) где , - единичная и нулевая матрицы размерностью ; - матрица преобразования размерностью вида . Систему (95) необходимо дополнить матричным уравнением связей (88) и интегрировать по времени совместно. 2.7. Моделирование раскрытия трехстержневой системы Представляют практический интерес задачи о раскрытии стержневых систем по предписанным законам управления. В этом случае , где k - номер узла (шарнира), где соединяются элементы с номерами j и i; - заданная функция. Вариация кинематической связи даёт равенство . В качестве примера далее рассматривается система из трех гибких стержней, соединенных последовательно через шарниры (рис. 5). Считается, что поперечные сечения стержней имеют одинаковые геометрические и жесткостные характеристики. Для расчетов приняты следующие значения параметров задачи: , , массовая плотность Силы гравитации и демпфирование колебаний не учитываются. На рис. 5 показана нумерация конечных элементов и узлов (номера конечных элементов со 2 по 6, с 9 по 13 и с 16 по 20 опущены). Узел 1 считается неподвижным, однако он может свободно вращаться относительно системы координат . Каждый стержень имеет длину . Все конечные элементы системы одинаковы и имеют длину Узлы 8, 9 и 16, 17 представляют собой шарниры, на перемещения которых ограничения не накладываются. Начальной конфигурацией системы является прямая горизонтальная линия длины Такому состоянию отвечает такая упаковка системы, когда угол между элементом 1 и осью угол между элементами 7 и 8 и угол между элементами 14 и 15 . 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 14 15 18 19 20 21 22 23 24 21 1 8 7 Рис. 5. Конечно-элементная модель Fig. 5. Finite-element model б а г в 0,5 1,5 2,5 3,5 0 1,0 2,0 3,0 -0,5 0 0,5 1,0 1,5 2,0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 1 2 3 4 0 1 2 3 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 -1 0 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 -3 -2 -1 0 1 2 3 0 1 2 3 4 5 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 Рис. 6. Конфигурации конструкции в различные временные интервалы: (а), (б), (в) и (г) Fig. 6. System configurations in different time intervals: (а), (b), (c) и (d) Раскрытие осуществляется в результате предписанного изменения углов между осями стержней в местах их соединения, а также в результате предписанного изменения угла между осью стержня с шарниром в узле 1 и направлением оси . Сначала раскрывается угол по часовой стрелке, затем - угол по часовой стрелке и угол против часовой стрелки. Закон раскрытия системы определяется формулами ; ; . Для повышения обусловленности численного решения задача преобразовывалась к новому аргументу - длине ее интегральной кривой [30]. Параметризованные таким образом уравнения интегрировались неявным методом линейного ускорения с использованием простых итераций во временном интервале . Шаг интегрирования адаптировался к процессу построения интегральной кривой по оценке локальной погрешности вычислений. В качестве максимальной допустимой величины локальной погрешности принималась величина . В свою очередь, итерации контролировались по оценке погрешности вычислений, максимальное допустимое значение которой принималось равным . Результаты интегрирования представлены на рис. 6 и 7. На рис. 6 представлены различные конфигурации стержневой системы, соответствующие движению в интервале и упорядоченные по времени с шагом около 0,5 с. На рис. 7 показаны координаты , как функции времени для ряда значений номера узлов k. 24 0 2 4 0 5 10 15 4 7 11 14 18 21 10 15 0 5 -2 0 2 4 4 7 11 14 18 21 24 Рис. 7. Зависимости узловых координат от времени Fig. 7. Time-dependent nodal coordinates Заключение В работе показан способ получения конечно-элементных уравнений движения гибкой стержневой систем со связями на основе вариационного принципа Даламбера-Лагранжа. В этих уравнениях максимально полно учтены слагаемые, учитывающие нелинейный характер упругого деформирования, осреднённый сдвиг, а также нелинейности инерционных сил. Для упрощения записей рассмотрена плоская задача динамики для механической системы, элементы которой представляют собой стержни с сосредоточенными массами, соединенные друг с другом посредством шарниров. Считается, что в шарнирах существуют связи, которые математически записываются в виде дополнительных линейных дифференциальных уравнений относительно обобщенных координат задачи. Такая формулировка позволяет в общей форме описать динамику гибких стержневых систем с учётом изменения её геометрии в результате не только деформирования стержневых элементов, но и изменения углов их соединения в шарнирах по предписанным законам управления. В последующих статьях предполагается представить результаты сравнительных исследований на основе численного интегрирования уравнений движения в различных формах записи.

About the authors

A N Danilin

Institute of Applied Mechanics, Russian Academy of Sciences; Moscow Aviation Institute (National Research University)

References

Statistics

Views

Abstract - 251

PDF (Russian) - 55