摘要
摘要
变长度柔性索梁构件广泛应用于工程实际中，含有柔性索梁构件的机械系
统的设计和分析涉及大变形大运动的柔性多体系统动力学和静力学问题。虽然
柔性多体系统动力学经过几十年的发展，已形成了大量的理论和工程实际成果，
但由于其本身的复杂性，对于很多柔性多体系统仍然没有成熟通用的解决方法。
高压输电工程中的线缆架设系统、绳驱机构以及起重机的吊绳系统等是典型的
含有柔性索、梁构件的机械系统。这些系统中由于柔性线缆本身的伸缩以及其
与支撑结构的相互滑动、缠绕等运动，其动力学和静力学分析实际上是变长度
柔性线缆系统的动力学和静力学问题，变长度、接触、滑移等特性使得这些系
统的分析极为复杂，目前仍是工程中难点，尚无很好的解决方案。本文针对这
些系统，基于绝对节点坐标法和任意拉格朗日欧拉描述，首先开展含变长度线
缆的多体系统的建模方法研究，继而以此为基础，着重开展高压线缆架设过程
中导线跑线和断线工况、覆冰线缆冰层清理工况、绳驱机构以及塔式起重机起
升变幅工况的动力学建模和高效分析方法等几个方面研究。
开展了高压线缆的建模和动力学分析研究。针对高压线缆架设过程中线缆
可能出现的线缆滑移的情形，采用基于绝对节点坐标法的分段连续缆索单元对
高压线缆进行了建模。提出了适合描述大变形的分段连续缆索单元的弹性力模
型。研究了高压线缆架设过程中导线出现跑线和断线的工况。为了描述高压线
缆中的初始张力，提出了一种静态求解策略。求解了线缆在弹性力，重力和张
力机拉力作用下达到平衡时的构型。将此平衡构型作为高压线缆动力学求解的
初值，求解了线缆在受到张力破坏后断裂的动力学行为。同时研究了线缆在发
生断裂之跨越多个塔架的工况。
对覆冰线缆冰层清理过程中线缆的动力学行为进行了分析。针对覆冰线缆
清理过程中覆冰线缆的变结构特性，基于任意拉格朗日欧拉和绝对节点坐标法
提出了一个可以灵活描述覆冰导线的冰层的厚度和导线长度的多层圆截面单元，
称为任意拉格朗日-欧拉绝对节点坐标（ALE-ANCF）多层圆截面梁单元。利用
提出的ALE-ANCF多层圆截面梁单元建立了覆冰线缆的动力学分析模型，研究
了冰层的清理速度和线缆架设初始垂跨比对线缆中张力和线缆跨中节点位移的
影响。研究结果为安全高效地清理冰层提供了理论依据。
开展了绳驱机构变长度线缆的建模和绳驱机构的动力学分析研究。针对绳
驱机构中的线缆的变长度特性，传统的绝对节点坐标法需要不断地重新建立新
的单元网格对具有新拓扑结构的线缆进行建模。这使得采用传统的绝对节点坐
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哈尔滨工业大学工学博士学位论文
标法对绳驱机构中的变长度的缆索进行动力学分析时，效率比较低。基于绝对
节点坐标法和任意拉格朗日欧拉法的结合提出了一种圆截面梁单元，被称为
ALE-ANCF圆截面梁单元，该单元可以高效地描述变长度的柔性缆索。利用绝
对节点坐标的参考节点对绳驱机构的末端执行器进行建模。构建了在绝对坐标
体系下的绳驱机构的动力学分析模型。研究了线缆初始预张力对绳驱机构末端
执行器在运动过程中轨迹和运动过程中绳驱机构线缆张力的影响。为提高绳驱
机构的控制精度和减小绳驱机构的振动提供了理论支持。
对考虑塔式起重机振动的负载摆动抑制方法进行了研究。针对现有的塔式
起重机摆动抑制研究忽略了结构振动和负载摆动之间的耦合的情况。提出了一
种考虑塔式起重机振动的负载摆动的控制方法。已有的摆动抑制研究将吊绳长
度的变化视为干扰。这导致现有的摆动抑制方法在实际工作情况下效果不佳。
相比之下，本研究考虑了塔式起重机的结构振动。同时，吊绳长度被视为减少
负载摆动的控制变量。结合相平面分析方法，提出了一种新的负载摆动抑制算
法。此外，建立了系统的塔式起重机多体系统随吊绳长度变化的动力学分析平
台，用于验证算法的有效性。塔式起重机的塔身和臂架采用传统有限元法建模，
吊绳采用ALE-ANCF线缆单元建模。通过滑动约束将吊臂和吊绳连接，得到塔
式起重机多体系统模型。算例表明，在考虑结构振动和有效载荷摆动之间的耦
合时，本文提出的方法可以有效地降低负载的摆动幅度。
关键词：绝对节点坐标法；任意拉格朗日欧拉方法；变长度柔性索梁构件；绳
驱机构；线缆动力学
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