MSC.ADAMS处理刚柔耦合系统高速和大变形问题的局限性

为了研究ADAMS软件对工程中因为刚柔耦合产生的高速及大变形问题的解决能力,通过分析其多体系统动力学理论基础,发现ADAMS软件在柔性体刚柔耦合方面存在的缺陷.以MSC.ADAMS软件为基本仿真软件,通过ANSYS软件与其联合使用,对旋转柔性板和柔性梁的动力学问题进行仿真.将仿真结果与现有文献的计算结果进行比较,说明ADAMS在考虑大变形以及高转速刚柔耦合动力学计算方面的局限性.在计算高速以及大变形问题时,ADAMS结果发散,计算失效,而一次模型的结果是收敛和准确的.     

刚柔复合抗滑桩受力与变形特性数值模拟分析

基于某高速公路路堤边坡支挡工程,采用有限差分软件FLAC3D分别建立普通刚性抗滑桩和刚柔复合抗滑桩加固边坡的三维数值模型,对比分析两种抗滑桩结构的受力与变形特性,进而探讨柔性材料厚度、柔性材料弹性模量及抗滑桩弹性模量等关键设计参数对刚柔复合抗滑桩受力与变形特性的影响.研究结果表明:与普通刚性抗滑桩相比,刚柔复合抗滑桩可以明显减小桩身弯矩、剪力及桩侧土压力,但会在一定程度上增大桩身自由段和填土的水平位移;增大柔性材料厚度可在一定范围内减小抗滑桩内力和桩侧土压力,但减小程度有限,柔性材料弹性模量对抗滑桩受力特性影响较小;适当减小抗滑桩的弹性模量可以明显降低抗滑桩内力.     

考虑热效应的柔性板的刚-柔耦合动力学特性

研究考虑热效应的柔性板的刚-柔耦合动力学规律.根据柔性板的运动学关系和本构关系,用Jourdain速度变分原理建立了作空间运动的柔性体的动力学变分方程.引入与应变率有关的耦合项,建立了连续的热传导变分方程.用三维空间的有限元法分别对变形场和温度场进行离散,建立了动力学和热传导耦合方程.研究温度变化对系统的刚-柔耦合动力学特性的影响,发现在周期性热流作用下的共振频率与频谱分析得到的系统固有频率之间的内在关系,揭示了热传导方程中与弹性变形有关的耦合项对温度变化的影响.最后从温度场的泰勒多项式出发,对三维空间的温度场和变形场建立了精确的二维有限元模型,并对二维线性近似有限元模型的适用性进行了研究.     

刚柔耦合微定位平台的设计与分析

设计了一种采用压电陶瓷驱动的3自由度刚柔耦合微定位平台,利用柔性铰链机构及自锁原理在保证装置定位精度的同时提高了微定位平台的承载能力.首先,对该平台的结构进行了设计,分析其运动及自锁原理;然后采用ANSYS对微定位平台进行了性能分析,结果表明,该微定位平台在y方向变形为28.8μm/100 N,z方向的变形为0.205μm/100 N;模态分析中,xy向驱动板和z向驱动板一阶固有频率较高,具有比较理想的动力学特性,能够用于加工过程中承载力变化较大的情况.     

考虑材料阻尼的平动柔性梁动力学建模与仿真

利用Lagrange方程和粘弹性模型,建立了同时考虑构件变形和材料阻尼影响的平动柔性梁的动力学方程.描述构件变形时采用一次耦合动力学模型,在纵向变形中考虑了横向变形产生的耦合效果.通过算例仿真了同时考虑构件变形和材料阻尼影响的平动柔性梁的动力学响应.     

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.     

PZT/Surlyn 0-3复合材料的热机械与介电及压电性能

采用热工艺制备了压电PZT陶瓷与沙林离子键热聚合体树脂复合的0-3结构柔性压电材料.对其动态热机械分析表明:该复合材料软化温度在100℃附近;通过阻尼损耗因子随温度变化曲线的峰位置确定该材料的玻璃化温度约为50℃.通过对不同极化电场下的压电性能的研究,确定该复合材料的最佳极化电场条件为大于4.8 kV/mm;当PZT的体积分数(φ)小于0.5时,复合材料的相对介电常数和压电系数都随PZT体积分数的增大而缓慢增大,实验结果与Yamada模型预测较为一致.该0-3结构(1-φ)Surlyn/φPZT柔性压电材料在盲人触摸键盘、工业振动阻尼器件、柔性压电能量收集器件等领域具有很好的应用前景.     

斜缝式结构压电复合盘径扭模式转换机理探讨

通过开狭缝的方法实现压电复合盘的径扭振动模式转换,并对其模式转换机理及径扭复合振动特性进行了分析和研究.基于机电类别原理,引入2个振动耦合系数,建立了压电复合盘径扭复合振动耦合机电等效电路模型,得出了其频率方程,探讨了狭缝的斜角对系统共振频率的影响.结果表明:复合盘共振频率随斜缝斜角增大而降低,与实验结果相吻合;该压电复合盘能够驱动转子转动,有望在超声波电机中获得应用.     

机敏约束层阻尼减振板耦合系统有限元模型

针对机敏约束层阻尼减振板结构,考虑到粘接层、压电层、阻尼层、基层结构的耦合运动及位移协调关系,结合压电学理论、有限元理论以及粘弹性材料阻尼性能的滞弹性位移场模型,建立了耦合系统的有限元动力模型,该模型可适用于含SCLD结构的任意复杂系统的振动建模研究。以局部覆盖SCLD结构的对边约束钢板为研究对象,进行了结构动力学参数理论计算、ANSYS模态分析与模态实验研究,结果表明：理论分析与实验结果及ANSYS分析能较好吻合,充分证明了建模方法的有效性。     

旋转双柔性压电梁的分层递推模糊振动控制

行星减速器存在齿轮间隙时驱动旋转双柔性梁结构是一个强耦合、非线性多输入多输出(MIMO)控制系统,针对该系统的振动控制问题,提出一种基于MIMO系统的分层递推模糊控制算法.首先在模糊控制器中引入分层结构,将旋转双柔性梁的系统运行状态划分为不同的区间,进行控制算法设计;然后建立行星减速器驱动旋转双柔性压电梁实验平台,利用压电片驱动器和交流伺服电机复合驱动抑制双柔性梁结构振动,对控制算法进行实验验证.结果表明,与比例加微分(PD)控制算法相比,所提出的分层递推模糊控制算法对结构大幅值振动和小幅值振动都有较快的抑制效果.     

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.     

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。     

压电悬臂板的非线性振动控制

针对柔性悬臂板结构弯曲和扭转模态振动的测量、控制问题,采用压电传感器和驱动器进行优化配置及非线性振动控制.首先,建立了粘贴分布式压电片的悬臂板有限元模型;其次,基于所建立的模型和一种能量耗散方法进行了压电驱动器/传感器的位置配置,实现了弯曲和扭转模态振动在检测及驱动上的解耦;最后,提出一种非线性控制算法,建立了压电悬臂板实验平台,通过实验进行弯曲和扭转模态振动控制的比较研究.结果表明,该非线性控制算法可以更快速地抑制振动,传感器/驱动器配置可以实现弯曲和扭转模态振动的测量及控制解耦.     

主动约束层阻尼结构的振动控制

基于弹性、粘弹性和压电材料的本构关系,利用Hamilton原理,推导了主动约束层阻尼板的有限元动力学模型。结合压电材料的机电耦合特性,采用自感电压的位移和速度反馈,对主动约束层阻尼板进行了闭环振动控制,研究了不同控制增益条件下,主动约束层阻尼板的动态特性。研究结果表明:采用自感电压的比例、微分反馈控制,能有效控制约束层阻尼板的振动,增大振动能量耗散,尤其对频率共振峰有明显抑制作用。由于该方法结构简单,容易实现,有很好的工程应用前景。     

大范围运动空间梁的耦合动力学模型

从连续介质力学原理出发，对作大范围运动的空间梁建立耦合动力学模型．在纵向变形中计及了变形位移的二次耦合变形量，基于Jourdain速度变分原理导出作大范围运动的空间梁的动力学方程．将耦合动力学模型的仿真计算结果与不计二次耦合变形量传统的建模理论进行比较表明，在大范围运动的侧向角速度和浮动基基点的纵向加速度较大的情况下，二次耦合变形量对系统的刚—柔耦合动力学性质产生一定的影响．     

作大范围运动功能梯度材料梁的动力学特性研究

采用假设模态法和有限元法两种离散方法描述柔性梁的变形场,对作大范围运动的中心刚体-功能梯度材料梁的动力学特征进行研究。假设功能梯度材料的物理参数为沿着梁厚度方向变化的幂函数,考虑梁的纵向拉伸变形和横向弯曲变形,同时计及横向弯曲变形引起的纵向缩短,即非线性耦合项,运用第二类Lagrange方程推导得到两种不同离散方法描述的具有统一形式的系统刚柔耦合动力学方程。通过与假设模态法的数值仿真结果对比,验证所建立有限元模型的正确性。通过大变形算例,说明基于小变形假设的假设模态法计算上的局限性。在此基础上讨论功能梯度指数对作大范围转动柔性梁动力学特性的影响。结果表明基于小变形假设的假设模态法并不能处理大变形问题;在功能梯度材料梁其他物理参数不变的条件下,梁的最大位移随着功能梯度指数N增大而增大;横向弯曲固有频率会随着转速的增加而变大;当转速一定时,固有频率会随着功能梯度指数N增大而减小。     

压电主动构件机电耦合动力学建模

基于压电弹性体的本构方程和一维杆波动理论,考虑其变形产生的自感应电场和附加动态电容的影响,首先推导出压电堆的动力学模型。在此基础上,利用力学等效原理,建立了压电主动构件的等效机电耦合动力学模型,揭示了压电主动构件的力学工作特性。实验结果表明该等效机电耦合动力学模型是合理、有效的。     

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.     

压电智能驱动器力学模型的建立及数值模拟

基于PZT逆压电效应和结构动力学波动原理,建立粘贴式PZT驱动器与主体结构耦合简化力学模型及数学模型;考虑粘结层阻尼效应,建立PZT驱动方程并求解输出力表达式,确定驱动器力学与电学特性的对应关系;通过胶层材料特性、传递的切应力及其厚度变化对PZT驱动性能的影响进行算例分析,拟合出胶层传递剪切力与胶层厚度关系曲线,证明了运用所建立的驱动模型能有效地模拟检测PZT的逆压电规律,可为利用压电智能驱动器控制工程结构检测提供理论依据.     

基于涡致振动的内置压电悬臂梁柔性圆管能量收集结构的数值模拟

为了分析基于涡致振动的内置双晶压电悬臂梁柔性圆管压电能量收集结构的运动机理和性能,对其进行了流固耦合和压电耦合数值模拟。对一端固定一端自由的柔性圆管进行了流固耦合数值模拟,在流速为1.1 m/s,柔性圆管直径D为0.03 m,高度为0.11 m时,该结构的涡致振动能够处于稳定的锁频状态。对折合速度为1.3～4.0,中心距为3D～6D的前置等径刚性圆柱阻流体的柔性圆管进行了流固耦合和压电耦合的数值模拟。研究结果表明,柔性圆管的振幅响应和压电悬臂梁的开路输出电压均随折合速度的增大而增大,在仿真参数范围内,结构的振幅响应和输出电压时程曲线均为稳定的周期函数。当折合流速为4.0,中心距为5D时,结构产生的振幅最大,为2.38×10~(-3) m,电压为6.75 V。证明了根据不同流速,可以通过调节圆管的结构参数以使涡致振动产生锁频现象,从而得到最大振幅和输出电压,进而可将其用于电能收集,为下一步能量收集结构的实验制备提供了理论参考。