足部生物力学模拟的有限元方法

针对1999年以来的研究,从足部疾病、步态分析、踝关节生物力学、跟骨应力分布、鞋垫对足底影响等方面的应用研究以及足部有限元建模方面进行综述。提出未来研究的重点。分析当前研究的困难和不足。指出困难在于足部结构的合理定义和适用的有限元方法,不足是缺乏多学科的协同工作和足部结构动态模拟时没有应用柔性多体系统动力学。     

虚拟人体运动系统建模方法研究

利用模型研究人体的运动原理和规律,是人体运动研究的一个重要手段和有效工具。本文主要介绍了几种常用的建模方法,其中包括弹簧-阻尼-质量力学模型、多刚体模型、神经-肌肉-骨骼系统模型、基于数字人体图像的模型和基于人工神经网络的模型等方法。并分析了各种方法的特点和适用范围以及建模中存在的难点和关键问题。     

用于实时变形的解剖学人体肌肉建模

多层次人体建模方法利用解剖学原理构造虚拟人，将人体模型分为骨骼层、肌肉层和皮肤层等层次，其中人体肌肉层是影响人体表面状态与变形的重要结构。本文提出了一种基于解剖学的人体肌肉层建模和变形的方法，建模方法考虑了解剖学方面的准确性并适合实时变形模拟。肌肉模型的变形采用轴变形技术与横截面变形相结合的变形方法实现。同时介绍了我们的建模工具，建模人员使用建模工具可方便地构造和编辑人体各部位复杂的肌肉体。模型可以根据建模人员不同的需要，在逼真程度和变形速度上取得满意的折中。实验表明，这是一种有效的建模方法，应用到我们的人体建模系统中取得了良好的效果。此方法也可应用于其它软组织的建模中。     

机械系统的刚-柔耦合模型建模方法研究

为了实现虚拟样机的精确建模,采用了虚实混合建模方法。使用机械系统三维造型软件、有限元分析软件以及多体系统动力学仿真软件建立了曲柄滑块机构刚-柔耦合虚拟样机模型。结合相应的物理样机实验,并用有关实验数据修正虚拟样机模型,分析结果表明采用虚拟样机得出的结果与实验测试结果具有较好的一致性。为机械系统刚-柔耦合混合仿真虚拟模型的构建,探索了一种可行的方法。     

索结构碰撞动力学模型及应用研究

探讨了基于有限元方法和多体动力学理论的索结构动力学模型的建模方法,并对其进行了比较研究。引入接触约束,在索结构动力学模型的基础上建立了索结构碰撞动力学模型。用带索结构的运行小车结构为实例,建立了带主动索结构的装置、带被动索结构的装置和二者组成的索结构碰撞系统的三种多体动力学模型的仿真环境。研究表明：索结构有限元模型相对其多体动力学模型的误差较小,应用该模型能够进行索结构碰撞过程模拟,同时能够实现这类结构的可视化动态仿真。     

基于有限元法人体腿部生物力学仿真研究

为了建立可用于手术预演和规划的可靠的虚拟生物组织力学模型进行人体腿部生物力学仿真研究,根据关键组织的三维重建结果,采用有限元方法自下到上的建立骨骼、皮肤和部分软组织的生物力学模型.针对CT图像无法精确重建肌肉的几何模型的问题,在充分考虑肌腱的生物力学特性,又体现肌纤维的微观解剖结构的基础上,提出一种新型的肌肉建模方法.最后,通过患者手术获得的力位数据与有限元仿真数据的对比分析,证明建立的人体生物力学模型的可信性.     

步态康复机器人动力学李群李代数建模及仿真

结合刚性支撑与柔性驱动设计气压驱动步态康复机器人，为探究机器人和患者构成的人机共融系统动力学特性，基于李群李代数理论建立了不同步态相下人体步行动力学模型、机器人和人机系统动力学模型，对被动、主动助力、主动抗阻3 种不同康复训练模式中的驱动特性和能量特性进行了分析。仿真求解出机器人关节驱动力矩、人体关节主动力矩，验证了李群李代数法建模的正确性及动力学模型的有效性，为驱动控制系统构建及交互控制策略设计提供理论参考依据。     

基于增广拉格朗日方法的多柔体动力学研究

采用绝对节点坐标方法研究了受非线性约束的大变形多柔体系统动力学问题.基于增广拉格朗日方法推导建立了系统的动力学方程.方程中的未知变量数目与约束方程数目无关,仅以广义位置为基本变量进行求解.采用不变矩阵法计算系统弹性力,引入Broyden拟牛顿法大大提高了求解效率.系统仿真结果表明了所用方法的有效性.     

基于ADAMS的甘蔗柔性体模型建模研究

甘蔗柔性体模型的建立是研究小型甘蔗收获机虚拟样机这一刚柔耦合多体动力学系统中的重要工作,基于ADAMS软件的多体动力学理论以离散梁法、Flex法和AutoFlex法3种方式建立了甘蔗的柔性体模型.模拟静载变形、甘蔗与扶蔗机构的动态作用过程进行了仿真分析.将分析结果与理论值和实验结果对比分析,结果显示用Flex法建立的甘蔗模型最接近理论值和实验情况.另外从求解精度、求解效率等方面对3种方法进行了综合比较,指出三种建模方法各有优缺点,分别适于不同的应用场合.     

多级缸起竖系统运动过程的建模与仿真

讨论了含多级油缸起竖液压系统的特点，运用多体系统动力学理论分析了起竖系统的多刚体模型，采用“分离-碰撞”两状态模型和非线性弹簧-阻尼力函数对活塞杆间的碰撞过程进行等效，建立了考虑碰撞的起竖多刚体系统动力学模型，对多级油缸的运动过程进行了仿真。仿真结果表明多级缸活塞杆运动过程中的碰撞是影响大型装置起竖过程平稳性的主要因素，模型和仿真结果可用于快速起竖系统的设计。     

基于绝对坐标的实体单元在多体系统动力学中的应用

为研究具有复杂几何外形的柔性多体系统的动态应力响应或大变形运动,需提供一种能描述复杂几何外形并支持大变形的柔性体建模方法。利用完全非线性有限元方法,在多体系统框架下,开发包括线性和二次插值两种类型的四面体、五面体和六面体6种三维大变形实体单元,为准确描述多体系统中实体柔性体的大变形和任意的刚体运动提供一种建模方法。同时通过引进虚刚体建立实体单元和刚体的约束,利用赫兹理论处理实体单元和刚体之间的碰撞问题,将实体单元与多体系统有机结合在一起。最后通过数值算例验证了实体单元在多体系统动力学中的应用可行性和有效性。     

建立一类挠性航天器面向控制的仿真环境

建立了一类挠性航天器大范围快速机动的动力学模型和面向控制的仿真模型。在柔性体的变形场中计及耦合效应,采用拉格朗日原理和有限元方法建立挠性航天器的一次近似动力学模型,并利用符号推演技术自动生成动力学模型和面向控制的仿真环境。理论计算和数值分析表明,柔性体变形场中的二次耦合项是导致系统产生动力刚化效应的根本原因。     

平面柔性并联机器人系统建模与仿真研究

利用运动弹性动力学理论和有限元方法研究了平面柔性并联机器人的动力学建模方法。分析了各运动支链的弹性位移及其耦合关系,提出了柔性并联机器人系统的运动学约束条件和动力学约束条件,综合考虑了构件的分布质量、集中质量、集中转动惯量以及杆件的各种弹性变形的影响,建立了平面柔性并联机器人的动力学模型。以平面3-RRR柔性并联机器人为例,用MATLAB语言编程进行了仿真计算,并用SAMCEF软件的计算结果验证了模型的准确性。仿真结果表明该动力学模型能正确地反映柔性并联机器人的弹性振动特性,杆件的弹性变形对机器人动平台的位置误差和方向误差具有重要影响。     

基于组件的虚拟原型下的多体动力学仿真研究

通过分析机械系统多体动力学解算模型特点,从机械产品的协作开发与仿真角度,研究了基于组件方法建立机械系统虚拟原型,提出利用MVC设计模式构建多体动力学解算仿真模型。这种解算模式,实现了多体动力学解算仿真中,模型与解算逻辑的分离,维护了系统仿真中构件、铰约束、力元等组件的状态一致性。利于在不同的解算逻辑下组件和仿真方案的配置,方便了基于组件的协同开发与仿真。结果表明,基于组件的机械虚拟原型模型与多体动力学MVC仿真模型是可行的。     

基于组件的多体系统虚拟原型的分析模型研究

并行工程角度出发的机械虚拟原型是集成了产品的设计、分析，不断迭代、优化的过程，模型的协调一致性是保证设计过程完整的关键，如产品模型在CAD模型与机械多体动力学模型中的一致性表达。在这种观点下，提出在建立基于组件的机械系统虚拟原型时。从CAD中抽取多体动力学模型构件的物理属性，研究了国产三维实体设计软件CAXCA环境下，基于多刚体系统动力学笛卡尔方法，从CAD模型映射多刚体动力学分析模型语义的实现方案。分析了多刚体系统动力学模型语义下，万向节装配体的惯量张量、滑移铰约束模型坐标基变换关系的抽取，实验结果表明，从CAD中抽取多体动力学模型的物理属性的方案是可行的，可以用于建立基于组件的多体系统虚拟原型的分析模型，实现自主开发设计、分析集成的机械虚拟原型。     

基于能量判据的柔性机械臂模型降阶

应用有限元法进行柔性机械臂的建模和分析非常有效，然而随着对柔性机械臂分段数的增加，系统动力学模型阶数急剧增大，需要进行模型简化。建立了基于能量范数的能量判据，将能量判据作为柔性机械臂系统模态截断的一个标准，以能量响应信息的收敛程度或者模态能量贡献作为系统模态截断的判断标准。通过与基于均衡实现的模态截断的比较，显示基于能量判据的模态截断法更适合于考虑刚柔耦合的柔性机械臂系统。对单连杆柔性机械臂有限元模型进行降阶，仿真结果表明提出方法的有效性。     

某舰炮非线性动力学分析

基于非线性动力学理论,研究了某舰炮发射过程中的动力学响应问题。建立了某舰炮含身管和摇架导轨之间大位移滑动接触的有限元模型,运用隐式时间积分方法模拟该炮发射的后坐复进过程,获得了炮口的后坐复进位移和速度响应以及关键部位的动态应力。计算结果可为舰炮的设计和优化提供一定的理论依据。

Abstract：

Based on nonlinear dynamics,muzzle＇s responses during the whole firing course of a naval gun were investigated. The finite element model of the naval gun was established,including large sliding contact between barrel and cradle guide of the gun. The recoil and recuperation process of the gun was simulated by implicit time integration dynamics method,and the responses of displacement and velocity on muzzle and key part dynamic stress were obtained. The calculation results provide the academic basis for the design and optimization of naval gun.     

准坐标系下的弹性飞行器飞行动力学建模

结合有限元思想和拉格朗日方程推导了准坐标系下的弹性飞行器飞行动力学模型,与通常采用的平均轴系建模方法相比,该方法克服了变量难在相同坐标系下表示等缺点,而且该模型包含了自由度之间所有的耦合,能够更充分的反映刚性自由度与弹性自由度间的交叉耦合特性,更全面的从本质上体现飞行器结构动力学、空气动力学以及飞行动力学这种多学科之间相互影响的非线性飞行动力学特性。该动力学模型可用于弹性飞行器非线性稳定性分析、弹性飞行器飞行动力学与控制理论分析等。

Abstract：

As the frequency separation between the rigid body modes and the structural dynamics becomes tighter, the traditional aircraft flight mechanics treatment, there is, the rigid body approximation, may be not efficient. A complete coupled equation of motion for fully flexible aircrafts were derived, without any constraint relationship, which was done by employing Lagrange’s equations and the finite element method in terms of quasi-coordinates. This model includes automatically all six rigid-body degrees of freedom and elastic deformations, as well as the gravity, propulsion, aerodynamics, and control forces, in addition to forces of an external nature, such as gusts. Different from the modeling method based on ＂mean axes＂ coordinate system, the seamless integration was achieved by using the same reference frame and the same variables to describe the aircraft motions and the force acting on it, including the aerodynamic forces. The formulation is modular in nature, in the sense that the structural model, the aerodynamic theory, and the controls method can be replaced by any other ones to better suit different types of aircraft, provided certain criteria are satisfied.     

轮式移动2杆刚-柔性机械手逆动力学仿真

针对轮式2杆刚-柔平面移动机械手逆动力学问题进行了系统研究。采用Pin-free边界条件,对机械手柔性构件进行了离散,采用有限元法分别构建了该移动机械手系统的完整正、逆动力学模型。在频域下,求解了系统驱动力(矩)和弹性构型变量,并在时域内对驱动力矩进行了修正,并对修正力矩和构型变量进行了累计误差分析。为了验证建模方法的有效,进行了大量数值仿真工作,仿真结果显示了其有效性和可行性。