随着航天科技的发展,大变形柔性梁结构在航天器中得到了广泛的应用,如柔性空间索网结构、盘绕式可展开机构等。这一类柔性构型呈现出大位移、大转动、小应变的特点,现有的基于小变形假设的多体动力学理论已不再适用。因此需要对大变形柔性梁系统开展多体系统动力学建模理论与仿真技术研究。这不仅具有重要的理论意义,而且具有良好的工程实用价值。空间梁的大变形动力学数值仿真理论面临的主要问题有:转动参数的奇异性问题;应变客观性问题;路径相关性问题等。对于大体量柔性梁多体系统,更引入了高自由度、非连续、变拓扑等特征,使得动力学数值仿真面临着巨大的计算困难。递推组集方法是传统多体动力学建模方法的一种,该方法将递推思想与浮动坐标系相结合,从而获得由铰坐标与物体变形坐标组成的最小自由度多体动力学方程。该方法兼顾效率与精度,在小变形柔性多体系统的计算中已经得到了广泛的应用,但对于大变形梁柔性多体系统计算的研究还较少。在前人工作的基础上,本文在国家自然科学基金重点课题(11132007)的资助下对大变形梁多体系统建模理论与仿真技术进行研究,现将主要研究内容与研究成果总结如下:1.基于欧拉梁假设,提出基于单元递推组集的大变形柔性梁建模方法(ERMB),解决了单个空间大变形柔性梁的应变客观性、奇异性和路径相关性问题,提高了仿真的效率。ERMB融合递推思想与共旋坐标法,将原有多体动力学递推方法的物体与物体之间的递推拓展到单元与单元之间的递推,从而获得单元相对转角坐标组成的动力学方程。该方法有以下优点:(a)在单元共旋坐标系计算单元的应变与内力,所得计算结果不随物体的刚体姿态变化而变化,从而能够有效解决空间大变形柔性梁应变客观性问题;(b)通过递推,由单元内节点相对转角坐标计算得到单元姿态,由于单元内节点相对转角较小,使得ERMB能够利用三参数描述转动,同时成功避免转动参数的奇异性问题;(c)在共旋坐标系上,相对转角为接近于零的小量,转动参数变化近似的满足线性关系,因此在单元内对相对转动参数进行线性插值即可得到较为精确的结果。针对大变形梁的经典算例,对比ERMB与现有方法的计算结果。研究结果表明本方法可成功解决大变形梁的应变客观性和奇异性问题,并且具有较高的精度与效率。2.将ERMB拓展到复杂拓扑构型的大变形梁多体系统动力学模型。推导了ERMB在不同约束形式下的位置约束方程,速度约束方程和加速度约束方程,使ERMB能够应用于大变形梁非树形多体系统动力学问题,并具有良好的程式化的格式。针对多体系统中梁的接触问题,给出了ERMB梁单元间点线接触与线线接触两种不同模式的接触检测方法。3.研究了ERMB的隐式广义α法求解格式以提高数值计算效率。传统的多体动力学递推方法,动力学方程的雅可比阵极难推导,而差分形式的数值雅可比精度差且计算效率低下,因此在求解递推动力学方程时,大多采用显式算法求解。本文推导了ERMB在隐式求解格式下递推动力学方程雅可比的解析表达式。在动力学隐式算法的基础上给出了ERMB大变形梁多体系统静力学方程以及其求解方法。研究结果表明ERMB具有以下优点:(a)在静力学求解时可避免路径相关性;(b)能够用较少的自由度即可得到较为精确的解;(c)应用广义α法进行动力学数值求解时极大地提高计算效率,从而具备求解复杂多体系统动力学和静力学方程的能力。4.应用ERMB成功解决工程实际中大体量复杂构型大变形柔性梁多体系统动力学问题。以盘绕式可展开桁架为例,由于同时具有大体量、大变形、接触碰撞、拓扑变化等复杂力学特征,对其展开动力学仿真极其困难。利用ERMB进行多体系统动力学建模,仿真模拟了盘绕式桅杆收拢的静力学过程,以及盘绕式桅杆的展开动力学过程。结果表明ERMB具有处理包含变拓扑大变形梁多体系统复杂动力学问题的能力。