(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210944907.8 (22)申请日 2022.08.08 (71)申请人 中国空气动力研究与发展中心计算 空气动力研究所 地址 621000 四川省绵阳市涪城区二环路 南段6号 (72)发明人 刘钒　马率　肖中云　张露　 崔兴达　刘刚　赵辉　江雄　 黄江涛　 (74)专利代理 机构 北京集佳知识产权代理有限 公司 11227 专利代理师 王晓坤 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 30/28(2020.01) (54)发明名称 一种航空软索拖曳系统的结构动力学建模 仿真方法及装置 (57)摘要 本申请公开了一种航空软索拖曳系统的结 构动力学建模仿真方法及装置， 该方法包括： 构 建ANCF曲梁单元； 使用多个ANC F曲梁单元进行拖 曳软索的有限元离散建模， 生 成拖曳软索对应的 曲梁； 将曲梁和刚体通过绝对坐标系下的运动自 由度进行统一， 建立动力学方程； 刚体包括拖曳 飞行器和被拖曳飞行器； 构建曲梁与刚体之间的 固支约束关系； 根据动力学方程与固支约束关 系， 建立航空软索拖曳系统多体动力学模型。 这 样可以解决拖曳刚体扭转运动与软索之间无效 约束问题， 消除仿真计算中的拖曳 刚体滚转发散 现象， 对真实工程中的航空软索拖曳系统的释放 与回收过程进行高精度物理建模和数值仿真。 权利要求书2页 说明书10页 附图8页 CN 115358118 A 2022.11.18 CN 115358118 A 1.一种航空软索拖曳系统的结构动力学建模仿真方法， 其特 征在于， 包括： 构建ANCF曲梁单 元； 使用多个所述ANCF曲梁单元进行拖曳软索的有限元离散建模， 生成所述拖曳软索对应 的曲梁； 将所述曲梁和刚体在绝对坐标系下的运动自由度进行统一， 建立动力学方程； 所述刚 体包括拖曳飞行器和被拖曳 飞行器； 构建所述曲梁与所述刚体之间的固支约束关系； 根据所述动力学 方程与所述固支约束关系， 建立 航空软索拖曳系统多体动力学模型。 2.根据权利要求1所述的航空软索拖曳系统的结构动力学建模仿真方法， 其特征在于， 所述ANCF曲梁单元包括位于两端边界的第一节 点和第二节 点， 所述A NCF曲梁单元的广义坐 标表达式为： e＝[e1 e2]＝[r(0)  θ(0) r′(0) r(L) θ(L) r′(L)] 其中， e为所述ANCF曲梁单元的广义坐标， e1为所述第一节点的广义坐标， e2为所述第二 节点的广义坐标， r(0)、 θ(0)、 r ′(0)分别为所述第一节点在绝对坐标系下的位置矢量、 扭转 角值、 切向矢量， r(L)、 θ(L)、 r ′(L)分别为所述第二节点在绝对坐标系下的位置矢量、 扭转 角值、 切向矢量， L 为物质坐标长度。 3.根据权利要求2所述的航空软索拖曳系统的结构动力学建模仿真方法， 其特征在于， 所述ANCF曲梁单元轴线中点的位置坐标是通过所述ANCF 曲梁单元的广义坐标进行插值得 到的。 4.根据权利要求3所述的航空软索拖曳系统的结构动力学建模仿真方法， 其特征在于， 所述ANCF曲梁单 元的物质长度Le随时间t的变化 规律为： 其中， v1为在所述第一节点设置的质量流入速度， v2为在所述第二节点设置的质量流出 速度， Le,0为初始时刻所述ANCF曲梁单 元的物质长度。 5.根据权利要求1所述的航空软索拖曳系统的结构动力学建模仿真方法， 其特征在于， 所述动力学 方程为： 其中， E为微分动力学方程组， C为约束方程组， 中的q为动力学系统的广义坐标， Mr、 Mb 分别为所述刚体和所述曲梁的质量阵； 分别为所述刚体和所述曲梁的广义坐标； Qe 为所述曲梁的弹性力项， Qv为所述刚体的惯 性力项， Qf,,r和Qf,,b分别对应所述刚体和所述曲 梁的外力项， λ为约束方程的拉格朗日乘子 。 6.根据权利要求5所述的航空软索拖曳系统的结构动力学建模仿真方法， 其特征在于， 所述曲梁与所述刚体之间的固支约束关系对应的约束方程组为：权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115358118 A 2其中， ro为绝对坐标系中的所述刚体的质心坐标矢量， c为绝对坐标系中从所述刚体质 心到所述曲梁的约束节点的矢 量， rN为绝对坐标系中的所述曲梁约束节点N1的位置坐标， r′ 为N1点处的所述曲梁切向斜率广义坐标矢量， a和b分别为所述刚体在N1点所在位置的局部 坐标系的两个正交单位坐标矢量， n为N1点所述曲梁横截面内物质坐标系的一个坐标轴矢 量， C1,2,3约束了曲梁节点的位置， C4和C5约束了曲梁约束点处切向斜率的方向， C6约束了曲 梁约束点处横截面的转动。 7.根据权利要求6所述的航空软索拖曳系统的结构动力学建模仿真方法， 其特征在于， 所述航空软索拖曳系统多体动力学模型的雅克比迭代方程组为 其中， Eq为所述动力学方程组对广义坐标q的雅克比矩阵， Cq为所述约束方程组对广义 坐标q的雅克比矩阵， δ q为广义 坐标待求 解的增量， δ λ为拉格朗日乘子待求 解的增量。 8.一种航空软索拖曳系统的结构动力学建模仿真装置， 其特 征在于， 包括： 曲梁单元构建模块， 用于构建ANCF曲梁单 元； 软索模型生成模块， 用于使用多个所述ANCF曲梁单元进行拖曳软索的有限元离散建 模， 生成所述 拖曳软索对应的曲梁； 动力学方程建立模块， 用于将所述曲梁和刚体在绝对坐标系下的运动自由度进行统 一， 建立动力学 方程； 所述刚体包括 拖曳飞行器和被拖曳 飞行器； 约束关系构建模块， 用于构建所述曲梁与所述刚体之间的固支约束关系； 系统模型建立模块， 用于根据所述动力学方程与所述固支约束关系， 建立航空软索拖 曳系统多体动力学模型。 9.一种电子设备， 其特征在于， 包括处理器和存储器， 其中， 所述处理器执行所述存储 器中存储的计算机程序时实现如权利要求1至7任一项所述的航空软索拖曳系统的结构动 力学建模仿真方法。 10.一种计算机可读存储介质， 其特征在于， 用于存储计算机程序， 其中， 所述计算机程 序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述的航空软索拖曳系统的结构动力学建 模仿真方法。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115358118 A 3