大型环形桁架天线柔性包带展开动力学仿真与实验研究

柔性包带作为一种大型环形桁架天线的关键部件,解锁释放后的展开动力学行为对大型可展开天线的可靠展开具有重要影响.包带展开过程呈现大位移、大转动、大变形的特点,属典型的柔性体几何非线性范畴,其展开动力学行为异常复杂.文中基于10 m级大型可展开天线的柔性包带特性与功能要求,采用几何精确法建立了柔性包带的展开动力学数值分析模型,通过研究识别了影响展开动力学特性的关键参数,开展了常温及高低温下的展开试验验证,试验与数值分析结果相符,验证了数值分析结果的有效性     

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。     

作大范围运动弹性结构振动频率及模态的摄动解

根据参数摄动理论,建立了作大范围运动弹性结构特征频率与模态的摄动理论,推导了作大范围运动弹性结构的特征频率与模态的1阶、2阶摄动方程.以作大范围运动弹性梁为例,求解了作大范围转动弹性梁振动频率与模态的1阶、2阶摄动近似解,并与结构动力学意义下的频率与模态进行了比较.该方法解决了在柔性多体系统中大范围运动对柔性体变形运动的振动频率与模态的影响这类刚 柔耦合问题,同时为任意柔性多体系统刚 柔耦合动力学程式化建模提供了高效、精确的离散方法.     

基于绝对节点坐标的柔性体碰撞仿真

绝对节点坐标法是柔性多体系统中的一个重要建模方法,柔性体的碰撞技术在多体动力学仿真中有着重要的应用。该文建立了对绝对节点坐标的梁、板单元的几何体划分方法,利用检测几何体之间的碰撞信息,基于Hertz接触碰撞理论,给出了碰撞力计算表达式。在自主开发的多体动力学求解程序中嵌入碰撞计算模块,从而实现了基于绝对节点坐标的柔性体与柔性体、柔性体与刚体之间的碰撞仿真。应用算例的计算结果表明:该碰撞技术能有效处理梁、板和刚体之间的相互碰撞问题,既能研究碰撞过程中梁/板的动力学响应,同时又能方便提取碰撞力等碰撞信息,因而进一步扩大了绝对节点坐标法在工程中的应用范围。     

计及环境特征的刚-柔机械臂动力学模型及其控制策略

为了实现柔性机械臂主动柔性控制，基于Kane方程推导建立在惯性参考坐标系中的刚-柔机械臂的非线性动力学模型，并利用假设模态的方法对方程进行离散．在对刚-柔机械臂进行主动柔顺控制时，柔性机械臂要受到未确定外部环境的约束，因此，建立了计及环境特征的一般柔性多体系统动力学模型以及计及环境特征的刚-柔机械臂动力学模型，并分析研究了刚-柔机械臂主动柔顺控制策略．     

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.     

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.
     

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.     

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.     

基于多柔体动力学的汽车零部件疲劳寿命研究

文章分析了以路面激励作为输入的整车系统频率响应特性,以多刚体系统动力学研究为基础,通过柔性体模态展开法建立了多柔体动力学方程及全约束方程,并求解了柔性体的各阶模态位移;基于模态应力恢复法通过仿真二维路面不平度获取柔性体随机载荷谱,作为整车输入激励,并通过雨流计数法对大数据随机载荷进行了循环计数处理;通过线性损伤累积理论对整车以及零部件的刚柔耦合结构进行了疲劳寿命分析。以三轴式重卡平衡轴为实例分析对象的研究结果表明,基于多柔体动力学的汽车零部件疲劳寿命分析方法能够有效提高工程分析的效率和准确性。     

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.     

大型环形桁架天线分布式驱动展开方法与数值分析

作为星载大型天线的典型结构形式,大型环形桁架天线在新一代大型通信卫星、中继卫星、对地观测卫星等中需求迫切,且需求的口径越来越大.然而随着天线口径的增大,天线展开所需要的驱动力也急剧增大,使得传统的电机-动力绳集中式驱动展开方式存在展开可靠性的问题.本文建立了大型环形桁架天线动力学仿真模型,对集中式电机驱动展开过程进行了仿真,揭示了集中式驱动下电机动力在传力路径上摩擦损失而导致的展开不同步问题,并对其展开过程能量消耗进行了分析,总结了集中式驱动存在的不足.在此基础上给出了一种基于负刚度驱动装置的分布式驱动展开方法,并通过数值算例验证了其有效性.     

大型周边桁架式天线展开过程动力学建模仿真

为了更精确描述大型周边桁架式天线展开过程中的动力学行为,采用几何精确梁单元法对周边桁架的横杆和纵杆以及锁网进行柔性建模,一维移动介质单元对驱动绳建模,结合对T型铰、同步铰以及斜杆刚性假设,实现对整个天线系统的动力学仿真。通过仿真分析,得到了电机驱动力和纵杆最大弯曲应力随展开时间变化的曲线。通过对仿真曲线的分析发现,当第一根斜杆开始锁定之后,驱动力整体呈大幅增长趋势;每当有斜杆锁定时,驱动力都会有一定幅度震荡。     

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.
     

基于多体系统传递矩阵的柴油机配气系统动力学分析

利用多体系统传递矩阵分析柴油机配气系统的动力学特性,推导基于多体系统传递矩阵的动力学模型建模过程,建立了配气系统基于多体系统传递矩阵的单质量和二质量动力学模型.为检验该方法建模的有效性,以某柴油机配气系统为例,将以新方法建立的多体系统传递矩阵模型与多刚体系统动力学模型、GTSUITE建立的多柔体动力学模型进行比较.实验表明,多体系统传递矩阵模型较多刚体系统动力学模型对于气门的升程曲线、丰满系数等参数的计算值误差更小,且求解更简便;较多柔体动力学模型建模更方便、快捷.     

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．     

内燃机曲轴扭振多体动力学分析

基于虚拟样机技术,采用结合有限元法(FEM)的多体系统仿真(MSS)方法对汽车发动机曲轴进行扭转振动分析。建立了包括柔性体曲轴在内的内燃机曲轴系统的多体动力学模型。根据多体动力学进行模拟仿真计算,分析了内燃机曲轴扭振的特点。     

二维柔性多体系统非线性动力响应分析

基于包含轴向变形效应的Euler梁非线性理论,引用梁横向和纵向振动的精确模态描述变形场,利用拉格朗日乘子法建立起柔性多体系统约束非线性动力学方程。该非线性方程自动计及了动力刚化的影响。结合Newmark直接积分法和Newton-Raphson迭代法,导出了求解该非线性代数-微分方程组的数值方法。仿真算例证明了本文方法的正确性和有效性。     

基于粘结算法的电动汽车建模与仿真

为实现车辆动力学的高效精确求解,将多体动力学粘结算法引入动力学仿真求解过程中.通过对多刚体三摆机构及含有柔体部件的四杆机构进行拓扑解析、子系统分解与粘结,对粘结算法的理论与具体求解过程进行了系统说明;然后以某电动汽车为对象,运用粘结算法建立了包含前后悬架、车身及车轮在内的多体仿真模型,将整车系统分解为4个独立子系统;最后运用Matlab实现了整车的建模与仿真,结果验证了文中方法的可行性.     

柔性空间机械臂区间参数不确定性分析

研究了柔性空间机械臂动力学分析中由于区间参数的存在而引起的动力学响应不确定性问题.采用能够描述大位移、大变形耦合特性的绝对节点坐标方法来建模柔性机械臂臂杆,建立了含区间参数的多体系统动力学方程,为指标-3的微分代数方程.运用基于Chebyshev多项式的Chebyshev区间扩张函数,将含区间参数的微分代数方程转化为Chebyshev多项式插值点处的确定参数的动力学方程,研究得到了一维区间参数和多维区间参数影响下机械臂系统的动力学响应区间边界,形成了预测机械臂末端轨迹区间的新方法.通过与Taylor方法的对比研究,结果表明,该方法能够有效减少系统仿真工作量,减小动力学响应预测值误差,快速稳定地得到机械臂系统动力学响应区间.