柔性体碰撞阻尼模型的适用性分析

用理论和实验相结合的方法研究柔性梁和刚性球正碰撞过程中2种碰撞阻尼模型的适用性.基于Euler Bernoulli假设,考虑几何非线性,用绝对节点坐标法建立了平面柔性梁的动力学模型.用非线性弹簧阻尼模型建立了柔性多体系统的碰撞动力学方程;在考虑局部残余变形的前提下,用弹塑性模型建立了柔性多体系统的碰撞动力学方程,将碰撞过程分3个阶段（弹性碰撞,弹塑性碰撞,弹性恢复）进行分析.设计了柔性梁和刚性球的碰撞实验,将仿真计算与实验数据对比.结果表明,弹塑性模型更适用于碰撞分析.
     

基于绝对节点坐标法的柔性绳索体建模仿真研究

将绝对节点坐标法应用于柔性绳索体动力学建模和仿真的研究之中,利用绳单元建立了二维悬臂梁、三维柔性网和刚-柔耦合柔性网三种模型。借助Bathe积分策略和广义极小残量法(GMRES)对长时间历程、非对称大型稀疏矩阵方程组进行了分析求解,得到了三种模型的动力学仿真结果。通过对柔性绳索体的建模和仿真研究,确立了适用于大变形、大位移柔性绳索体动力学研究的方法,并提出了该研究领域未来发展方向应是绝对节点坐标法与各向异性材料本构关系的结合。     

大变形柔性梁系统的绝对坐标方法

研究了绝对坐标法在大变形柔性梁系统刚柔耦合动力学问题中的应用．考虑几何非线性,用绝对坐标法推导出有限元离散的平面梁系统的动力学方程．用能量守恒原理验证了绝对坐标法计算结果的正确性．比较大变形时的绝对坐标法与一次近似的混合坐标法的计算结果表明,文中绝对坐标法比一次近似的混合坐标法模型更精确,适合于大变形的情况．     

基于弹塑性接触的柔性多体系统碰撞动力学

为了研究作大范围回转运动的柔性梁与固定刚性质量发生正碰撞的动力学问题,该文以柔性多体系统刚柔耦合动力学理论为基础,考虑非线性耦合变形项和碰撞力势能概念,利用假设模态法和Lagrange方程建立了含碰撞力的系统刚柔耦合动力学方程.该方程可以处理系统无碰撞和有碰撞的全局动力学问题.基于单轴压缩弹塑性接触模型将接触碰撞过程分为弹性加载、塑性加载和弹性卸载3个阶段,给出了描述碰撞过程的方法和接触判定条件.碰撞动力学仿真算例描述了碰撞过程中的碰撞力、变形、角位移等动力学特性.弹塑性接触模型与非线性弹簧阻尼模型的仿真结果对比发现,两种接触模型描述接触碰撞阶段和碰撞能量损失的方法不同,得到的碰撞力大小亦不同;弹塑性接触模型更接近实际情况,适用性较强.     

大变形弹塑性梁的刚 柔耦合动力学特性

研究了大变形弹塑性梁的刚 柔耦合动力学特性.从弹塑性梁的非线性本构关系和非线性应变 位移关系出发,给出了曲率的精确表达式;基于绝对节点坐标法,用虚功原理建立了大变形弹塑性梁的动力学变分方程;用有限元法对梁进行离散,建立了大变形弹塑性梁的刚 柔耦合动力学方程.对重力作用下的柔性单摆进行数值仿真.结果表明,弹塑性梁的横向变形呈现平均值大和振幅衰减的特征,计算结果较基于小变形理论的一次近似模型稳定,适用于大变形问题.
     

柔性多体系统碰撞动力学研究进展

介绍了柔性多体系统碰撞动力学建模与数值分析方面的主要进展,其中包括柔性多体系统动力学方程的描述、碰撞模型的建立及数值计算方法.同时讨论了柔性多体系统碰撞动力学在人体仿真等方面的应用.     

复合柔性结构航天器动力学建模研究

柔性航天器动力学建模的传统方法是采用混合坐标法，针对中心刚体带大型柔性附件类的航天器，这种方法在理论建模和工程应用方面都获得了极大的成功。在中心刚体加柔性附件类航天器柔性动力学研究成果基础上，通过计及柔性体与柔性体连接点间的复合位移变形，利用混合坐标法建立了复合柔性结构航天器动力学模型，其软件系统DASFA 2.0已初步用于工程分析设计。     

基于绝对节点坐标法的柔性双臂机构动力学分析

基于绝对节点坐标法对具有变截面特征的柔性双臂机构进行了动力学分析.通过将边界函数引入到质量矩阵和刚度矩阵的积分上下限,建立了新型变截面梁单元模型.基于牛顿方程建立了柔性双臂机构的动力学模型.通过数值仿真案例,分析了材料特性及几何参数对柔性双臂机构动力学性能的影响.结果表明:材料弹性模量的增长可提高结构刚度减少结构变形;保证机械臂质量不变可通过改变截面形状来减少结构变形,提高运动精度.     

空间展开机构模型动力学实验与计算

为了研究空间展开机构的展开过程、锁定碰撞及其振动响应,对由1个中心刚体、2个铰链接的柔性梁构成的展开系统模型进行了研究,用有限段梁单元以及碰撞连续力模型的方法建立多体模型,使用自己开发的多体动力学软件对系统展开过程仿真。设计了实验方案和测量方法,构建了展开系统物理模型,研制了面阵CCD光学测量系统,在4m×1.7m气浮平台上对展开过程进行了测量。对非对称展开的数学仿真和实验结果进行了频谱分析和对比,并用特征系统实现算法识别出系统锁定后振动的模态参数,为振动控制提供了必要的信息。     

含区间铰间隙柔性机械臂控制精度分析

为了分析大变形、间隙碰撞和不确定性对机械臂动力学特性和控制精度的影响,提出了含区间铰间隙的柔性机械臂动力学建模方法和该动力学模型的求解方法.模型中采用绝对节点坐标法对柔性部件进行动力学建模,采用混合碰撞力模型和Ambrósio摩擦力模型建立关节铰间隙,并且采用区间变量描述间隙尺寸和部件杨氏模量.通过数值仿真分析表明:部件柔性和间隙会显著地影响机械臂动力学特性和控制精度,而且随着部件弹性模量减小、间隙尺寸增大,影响将更加显著;考虑不确定性时,机械臂的控制精度将降低,而且参数不确定性会显著影响该机械臂的动力学特性.     

柴油机活塞缸套摩擦副润滑和多柔体动力学耦合特性

为研究四冲程车用柴油机活塞-缸套摩擦副的动力学及润滑特性,提出了一种新的活塞-缸套摩擦动力学耦合模型.模型中采用绝对节点坐标公式(ANCF)描述活塞-连杆-曲轴多柔体动力系统,采用平均雷诺方程和微凸体接触理论描述混合润滑模型,基于商用软件结合二次开发程序实现仿真计算.对活塞缸套摩擦副的润滑动力学计算分析表明,由于缸内压力和活塞敲击作用,缸套会产生最大值为23.6μm的瞬时变形.与刚体模型相比,考虑部件的弹性变形不仅会使活塞横向位移增加40%,还会使得活塞润滑域出现油膜压力的局部集中.另外,柔体模型的循环平均功耗更小,与刚体模型相比相差17.7%.     

柔性悬臂梁的刚柔耦合动力学数值分析

对固结在转动刚体上柔性梁的动力学问题进行了研究．采用拉格朗日方程建立了三种不同情形的转动刚体上柔性悬臂梁系统的动力学方程、对系统耦合与非耦合方程进行了仿真,并通过仿真计算比较说明非耦合方程的局限性．     

大型空间环形桁架天线反射器展开动力学模拟与实验研究

近年来,可展开环形桁架天线被广泛应用于航天领域,将其作为提升通信卫星水平的关键技术.环形桁架式天线反射器可以看作是由可展开环形桁架和柔性索网反射器组成的复杂刚-柔耦合多体系统.为了精确表征柔性构件发生的大转动、大变形运动特性,本文采用结合绝对节点坐标方法(ANCF)与自然坐标方法(NCF)的绝对坐标(ACB)方法对该系统进行建模.为了提高天线展开动力学模拟的计算效率,文中提出基于静力缩聚法和多层区域分解方法的并行求解算法实现大规模刚-柔多体系统动力学方程的高效求解.此外,为了精确反映反射器不同步展开现象,在展开动力学模型中考虑驱动力衰减的影响.最后,基于上述方法对环形桁架天线反射器展开的第二阶段进行动力学分析,并通过4 m缩比环形桁架天线地面实验验证数值模拟的结果.     

飞网捕获机构中受约束绳索的建模方法研究

针对飞网捕获系统中大量非光滑接触以及刚柔耦合造成的动力学建模困难问题,提出一个简化模型。该模型将收口绳索与收口环和分离体之间的接触视为滑移关节,并采用约束方法开展动力学研究。考虑到滑移关节的碰撞,引入接触刚度,建立滑移关节的接触动力学方程。利用绝对节点坐标法描述绳索单元,采用虚功原理建立绳索单元动力学模型;对于分离体等刚体,采用四元数描述,建立刚体含约束动力学方程。对收口系统的收口过程建模仿真,得到绳索和牵引质量块的运动规律,并对比不同收口环数目下的收口时间和收口程度。研究结果表明,收口环的数目增加可以使边线绳收缩得更加紧凑,但较多的收口环会延长收口时间,降低收口效率。     

列车耐碰撞系统有限元和多体动力学联合仿真

研究基于有限元和多体动力学技术进行列车耐碰撞系统设计的联合仿真策略.通过非线性有限元分析获得车辆吸能部件在碰撞时的力—位移关系曲线,以该曲线模拟车辆连挂之间的非线性弹簧特性,运用多体动力学技术进行了两列车的碰撞动力学仿真.通过仿真分析碰撞中列车各车辆间的作用力、变形、速度、加速度以及各个吸能部件的能量吸收等数值,实现了对新设计列车碰撞被动安全系统总体性能的评估.与高速碰撞相比,在中低速碰撞工况下,头车与第2节车体端部连接处吸收的动能占总动能的比例更高.联合仿真能较真实地模拟列车碰撞的全过程,验证了联合仿真策略的可行性.     

圆柱铰间隙运动学分析及动力学仿真

含关节间隙的多体系统动力学精细的仿真计算必须依赖于对关节处2相对运动体的运动学描述.针对工程中常见的圆柱铰关节,建立了识别间隙铰处碰撞接触模式的运动学关系.该运动学关系直接基于间隙铰关节的几何构形来确定运动过程中潜在碰撞接触点对之间的最小距离,避免了一般多体系统确定碰撞接触点的搜索过程.基于Hertz接触刚度并考虑阻尼效应的影响建立法向接触模型,采用修正的库仑模型考虑关节处的摩擦作用.针对一曲柄机构进行了仿真计算,研究了空间间隙、摩擦系数、杆件的柔性等因素对系统动力学特性带来的影响.     

基于零空间法的柔性多体系统动力学计算及仿真

为了实现柔性多体系统动力学的程式化建模及精确求解,利用自然坐标建立了柔性多体系统带拉格朗日乘子的动力学模型.将约束雅可比矩阵的正交补应用于该模型的处理过程中,通过零空间的正交基将模型转化为纯微分形式,并在时间域内进行离散,给出了数值解法和详细的仿真计算步骤,完成柔性重力摆的动力学建模与计算.仿真结果与运用传统方法所得的结果一致,验证了此建模及计算方法的正确性.针对在空间可展机构中广泛应用的柔性剪式机构,通过在Mathematica环境下编程,建立了动力学模型,并基于零空间法进行数值计算和仿真,得到柔性剪式机构在驱动力作用下的动力学响应曲线及横向振动引起的末端位置误差.     

旋转变截面梁自由振动特性研究

本文以中心刚体-变截面柔性梁为对象,研究由中心刚体引起的动力学耦合效应对变截面柔性梁的自由振动特性影响.首先基于哈密顿原理,考虑中心刚体和旋转梁之间的耦合作用以及中心刚体的离心力作用,建立中心刚体-柔性梁的动力学模型;然后,利用傅里叶变换将动力学模型的偏微分方程转换为频域上的常微分方程,并通过数值差分法求解旋转变截面梁的固有频率和振动模态;最后,将本文中的动力学模型经退化后与已发表的不同类型变截面梁自由振动特征进行对比验证,其结果吻合一致.通过数值计算,进一步系统地揭示了变截面的几何特性、中心刚体的旋转速度以及中心刚体-柔性梁的惯量比对振动频率和模态的影响规律.本文的研究工作证实了存在耦合效应的非线性系统的稳态响应反映的是系统宏观的振动特征,这一特征不仅依赖于柔性结构本身固有的振动特性,也依赖于柔性结构的外部运动环境.     

大范围运动的柔性曲线梁动力学建模及仿真

针对航天器等领域中应用柔性曲梁的动力学问题，基于有限元方法，将连续的柔性曲线梁离散化为具有12个自由度的空间梁单元模型．为缩减系统的运动学变量数目，将柔性曲线梁的物理坐标转化为模态坐标．在此基础上，依据Kane方程建立了作大范围运动的柔性空间曲线梁非线性动力学模型．动力学数值仿真的结果表明。对小曲率柔性曲线梁，其横向变形比纵向变形大得多．     

结构柔性对系统碰撞动力学响应的影响

针对在重力场下作大范围回转运动的柔性梁与一固定斜面发生斜碰撞的情况,根据Hertz接触理论和非线性阻尼项建立法向碰撞接触模型。引入线性切线接触刚度建立切向碰撞接触模型,以考虑接触过程中由于切向相对速度的换向作用引起的摩擦力的变化。利用假设模态法和Lagrangian方程建立系统含碰撞过程的一致线性化的动力学模型。最后根据不同刚度下的柔性梁的动力学仿真计算,探讨了结构柔性对系统碰撞过程动力学行为的影响。