刚柔耦合动力学的建模方法

对柔性多体系统动力学研究的若干阶段和研究现状进行回顾,对已有的刚柔耦合动力学建模方法进行总结.为了对已有的建模方法进行评价,提出了5项指标：科学性、通用性、识别性、兼容性和高效性,指出现有的建模方法尚无法满足工程实际应用的需要,应研究满足全部评价指标的刚柔耦合动力学建模方法.文中对今后柔性多体系统刚柔耦合动力学的几个研究方向进行展望,包括理论建模、计算方法和试验研究等方面.     

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.     

计及参数不确定性的卫星太阳能帆板的柔性多体动力学研究

用固定界面子结构法进行柔性多体系统动力学建模,讨论了系统参数的不确定性问题,并采用Monte-Carlo方法进行随机参数建模.以国产某型号卫星为例,考虑四块帆板的柔性,对伸展机构进行了柔性多体动力学建模与仿真.得到了帆板的变形、大范围运动等动力学参量,为卫星帆板的设计提供了一定的理论依据.     

并联机器人多柔体系统协同建模与动力学仿真

基于协同的思想,提出了一种对机构的多柔体动力学进行建模和仿真的方法.以多体系统动力学为基础,建立了柔性机构的空间动力学方程.利用多体动力学仿真软件ADAMS和有限元分析软件ANSYS建立了3-TPT型并联机器人的多柔体动力学仿真模型,并对所建立的模型进行了动力学仿真研究.为了更加准确地说明分析结果,分别将刚性体和柔性体仿真结果进行对比,结果表明:由于杆件的柔性特点,其受力表现出了高度的非线性,这与实际相符.多柔体系统的仿真结果能更真实、准确地反映出并联机器人的实际运动特性,能够更准确地预测机构性能.这种方法为并联机器人的设计和优化提供了一种有效的分析方法.     

柔性多体系统动力学的并行迭代算法

为了提高多体系统动力学数值计算的稳定性和精度,针对柔性多体系统动力学建模方式和求解算法问题,采用分类算法、迭加算法完成了柔性多体系统动力学模型求解,利用波形松弛技术和RK离散方法设计并实现了柔性多体系统的并行迭代算法,为了降低计算的复杂性改进这些迭代算法的收敛速度,提出了内外步并行迭代进程,并进一步证明了相应迭代算法的收敛性,完成了误差估计.     

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.     

复杂系统动力学、控制的几个问题

本文简述的“复杂系统”,即是多刚体、多柔性体、多充液腔体及其耦合的复杂大系统。航天高科技的发展 ,向力学界提出了研究多体复杂系统动力学、稳定性、振动与控制的重要任务 ,本文将力学与航天高科技相结合 ,简述复杂系统的建模、充液柔性航天器动力学与控制、航天柔性结构动力学与控制、充液柔性航天器大幅晃动的数值模拟的几个问题。     

基于区域分解的柔性多体系统高效并行算法

近年来,大量轻质柔性结构成功应用于航空航天、智能机器人以及3D打印等领域,使得这些机械系统呈现出典型的刚柔耦合动力学特性.已有研究表明,基于小变形、小转动假设的传统柔性多体系统建模方法,如浮动坐标系方法,已无法精确描述上述大变形柔性构件的动力学特性.本文在等几何分析体系下,采用非均匀有理B样条(Non-Uniform Rational B-Splines,NURBS)插值函数离散平面柔性结构位移场,基于连续介质力学大变形理论,建立了能够精确描述大转动与大变形耦合的平面板单元.为了提高大变形柔性多体系统仿真效率,本文首先采用不变矩阵法,推导了大变形柔性体的非线性弹性力与切向刚度矩阵的高效计算公式.其次,基于有限元撕裂对接(Finite Element Tearing and Interconnecting,FETI)区域分解技术,提出了一种大变形柔性多体系统动力学方程高效求解算法.该算法中,首先通过空间离散与时间离散将多体系统动力学方程转化为一组非线性代数方程,然后采用含预条件的共轭梯度(Preconditioned Conjugate Gradients,PCG)迭代算法并行求解线性化后的线性方程组.较以往多体系统常用的并行直接算法,能够显著地提高计算效率.最后,通过若干数值算例验证了所提出并行算法的有效性,并分析了该算法的复杂度,加速比以及可扩展性.     

带中心刚体的旋转柔性件有限段建模

针对具有中心刚休带有柔性梁附件的刚柔耦合系统,介绍了基于Kane动力学方程的多体动力学理论,并应用有限段建模方法以过类刚柔耦合系统建立了动力学方程,体现了梁类附件的柔性效应,反映了系统内部耦合产生的非线性特征,并呈现大范围运动所产生的动力刚化现象,分析表明,所研究的建模方法比较完整,真实地反映了此类系统在大范围运动古的动力学特性,并具有较高的精度。     

柴油机曲轴系多体动力学仿真分析

基于虚拟样机技术,结合有限元法(FEM)和多体系统仿真(MSS)方法,对柴油机曲轴系进行多体动力学仿真分析。首先建立了包括曲轴柔性体以及活塞连杆组等刚性体在内的三维实体曲轴系多体动力学模型,通过进行曲轴系统在发动机真实工况下的柔性多体动力学仿真计算,得到柴油机主轴承载荷和活塞侧推力等数据。研究结果表明,柔性多体动力学仿真分析结果与实际情况基本相符,可以很好的描述曲轴系动力学特性,从而为内燃机整机振动、噪声分析提供可靠的边界条件。