摘 要摘 要单柔性机械臂的碰撞动力学仿真研究，主要是研究柔性机械臂与刚性质量块碰撞的动力学特性。基于有限元软件Workbench，对柔性机械臂进行模态分析和转动分析，研究得出其固定频率和非碰撞状态下机械臂转动的变形，应力应变等状态。在此工作上，基于柔性体弹性力学理论基础，再进一步研究柔性机械臂与刚性质量块的碰撞动力特性。为了更好地研究分析机械臂的碰撞动力学特性，我们进行三组不同的碰撞实验仿真，分别研究材料弹性模量，机械臂转动速度和碰撞距离对碰撞过程动力学特性的影响，得出相应机械臂的总变形，应力应变等数据，进行整合对比分析，以此来得到更为详尽和直观的结果和一些结论，以便于我们对单柔性机械臂的碰撞仿真有更深层次的理解和运用。关键词单柔性机械臂；碰撞；有限元；动力学分析
目 录
第一章 绪论 1
1.1 工程背景和意义1
1.2 柔性多体动力学2
1.3 理论基础和研究方法3
1.3.1 弹性力学的基本方程3
1.3.2 有限元法5
1.3.3 有限元法软件ANSYS Workbench6
1.4 本文研究的主要内容7
第二章 模态分析8
2.1 概述8
2.2 单柔性机械臂的模态分析9
第三章 单柔性机械臂的自由落体旋转动力学22
3.1 操作步骤22
3.2 结果分析22
第四章 单柔性机械臂的碰撞仿真29
4.1 显式动力学概述29
4.2 单柔性机械臂的定角速度旋转碰撞仿真30
4.3 单柔性机械臂的自由落体旋转碰撞仿真35
4.4 单柔性机械臂不同距离的自由落体旋转碰撞仿真41
结语44
致谢45
参考文献46
第一章 绪论
工程背景和意义
在航天器在轨组装和空间维修等方面，空间机械臂是重要的支持设备。从上世纪的七十年代开始，发达国家相继进行了空间机械臂的有关研究，并且将其成功地运用到载人航天器上，中国当前的空间站也需要应用空间机械臂来执行。载人航天器上所应用的空间机械
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臂一般具有自身质量小，负载质量大，大范围活动的特点，这些特点决定了空间机械臂的结构样式为细长型，这种细长型的结构样式和末端大负载的特点会使得机械臂系统频率只有零点几的赫兹，所以它具有鲜明的柔性特征[1]。
柔性机械臂的物理模型简明，这样易于计算机计算模拟和实物模型实验实现，相较于刚性机械臂，柔性机械臂具有很多优点，例如其具有高速操作的能力，其负载的自重比可以很高，最关键的是，它的生产成本很低，并且运行中所消耗的能耗较低，工作的空间更大[2]。在如今的工业背景之下，人们都希望所设计使用的物品较为轻便耐用，在航天领域，对于物体的设计要求更是如此，轻便耐用的材料，尤其能够获得航天科学设计人员的青睐，将一个航天物件送上太空，如果这个物件的质量可以减小，那么所节省的燃料成本是巨大的，轻质的材料更能给太空机械臂的运作提供良好的利用保障[3]。
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图11 机械臂抓取“龙”飞船
然而柔性机械臂在运作的过程中，与抓取物体的碰撞现象是经常出现，甚至是不可避免的。柔性机械臂运动到一定位置时，各杆件之间会经常产生碰撞[4],在碰撞进行的不同阶段，柔性杆件具有不同的动力学特性。多柔体系统在发生碰撞之后其动力学的特性会发生巨大的变化，柔性体会产生高阶模态的弾性振动，从而系统运行的稳定性和精度会受到影响。曾经Hubble望远镜由于太阳能帆板连接处的间隙卡死，导致其周期运动受到了影响，从而系统的定位精度受到了严重影响[5]。
柔性系统的碰撞动力学过程是非线性的过程，它具有非定常，变结构的特点，其中分析解决动力学特性较为关键的步骤是正确处理碰撞过程。利用多体系统动力学碰撞建模理论，对柔性机械臂的物理模型进行简化，从而可以更有效地对碰撞过程进行分析[6]。

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