基于符号距离场的多体系统碰撞动力学研究

作     者：张西南 游浦 刘铸永 Zhang Xinan;You Pu;Liu Zhuyong

作者机构：上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院水动力学教育部重点实验室上海200240 

出 版 物：《力学学报》 (Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics)

年 卷 期：2024年第56卷第9期

页      面：2703-2712页

核心收录：

学科分类：0711[理学-系统科学] 08[工学] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 080101[工学-一般力学与力学基础] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

基　　金：国家自然科学基金资助项目(12272222和11932001) 

主　　题：符号距离场 碰撞检测 多体系统 八叉树 交会对接 

摘      要：多体系统动力学中的接触碰撞问题是典型的边界非线性问题,对其动力学仿真面临着巨大的数值困难.由于求解过程中需要一直进行复杂的接触碰撞检测,严重地影响了数值计算效率.为了实现对多体系统动力学中接触碰撞问题的快速求解,文章提出一种改进的基于符号距离场的多体系统动力学接触碰撞检测算法.通过对预先生成的符号距离场进行三线性插值,求解出空间中任意一点距离物体表面的最短距离和法向量.将接触碰撞检测分为全局检测和局部检测两个过程,首先在全局检测时利用OBB包围盒技术对物体之间是否存在潜在接触可能性进行快速判断;然后在局部检测时基于符号距离场信息并结合八叉树结构对接触碰撞检测算法进行优化.分别采用Hertz接触力模型和基于速度的库伦摩擦力模型,建立了多刚体系统非连续动力学方程.最后,通过对典型的算例和空间站交会对接的工程案例进行仿真,验证了所提方法在解决复杂多体系统碰撞动力学问题时的正确性和高效性.该方法可以进一步拓展到复杂构型刚体与柔性体的接触碰撞动力学研究.