考虑杆件柔性和铰间隙的可展结构动力学数值模拟

为了保证空间可展结构可靠地运行,需精确预测在轨运行中可展结构动力学性能,在动力学模型中应考虑铰间隙和构件柔性的影响。该文采用间隙铰的非线性弹簧阻尼模型,构造可展结构动力学方程。分别对理想连接铰、考虑铰间隙、以及考虑构件柔性等3种情况的典型可展结构进行动力学模拟。仿真结果表明间隙和构件柔性对可展结构动力学性能有较大影响:连接间隙导致销轴与孔体产生一系列内碰撞,且初始碰撞接触力较大;考虑构件柔性后,间隙处产生的碰撞力减小,接触时间增长,销轴与孔体的接触碰撞区域扩大;间隙还引起了中心体姿态角速度的扰动。     

计及铰链间隙的机械臂动力学建模与仿真

工程中的机械多体系统都存在铰链间隙问题,铰链间隙使系统的约束条件、自由度数目和拓扑结构发生变化.根据Hertz接触定律和Coulomb摩擦定律,建立了含间隙平面旋转铰的力学模型;采用几何变形约束法和模态缩聚技术描述了柔性机械臂的非线性变形;同时考虑两个旋转铰的间隙特性和柔性臂的弹性,最终采用Kane方程建立了含铰链间隙的刚-柔机械臂系统的动力学模型.以Mathematica软件为编程工具.对含两个铰链间隙的双刚性臂系统进行了仿真计算,得到了更加真实的动力学响应.     

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.     

含间隙3-CPaR&R1R2混联机构动力学分析

为研究关节间隙对混联机构动态特性及混沌现象的影响,以3-CPaR&R_1R_2混联机构为研究对象,考虑转动副关节间隙并基于弗洛雷斯(Flores)接触力模型和修正的库伦(Coulomb)摩擦模型,分别建立了含间隙关节元素间的法向接触力和切向接触力模型,进而基于拉格朗日方程建立了含关节间隙混联机构动力学方程.通过数值仿真分析了不同驱动速度和间隙尺寸对机构动力学特性及混沌现象的影响,同时探讨了机构稳定性与关节元素碰撞的关系.研究结果表明:增加驱动速度与减小间隙尺寸可使机构混沌现象减弱,改善机构动态特性;机构稳定性与碰撞过程中关节元素间的冲击现象相关,且随着冲击现象的加剧机构稳定性降低.     

空间含铰可展桁架结构的非线性动力学建模与分析

综合考虑间隙、非线性刚度、摩擦及碰撞阻尼,建立了铰链等效模型,并基于该等效模型建立了含铰可展桁架结构动力学模型。根据铰链的变拓扑结构特点,提出了适用于解决时变非线性动力学问题的附加力方法,对多自由度平面和空间可展桁架进行了动力学仿真,得到了可展桁架的动力学响应。通过设置不同铰链参数和外部激振条件,分析了不同间隙、激振力、摩擦力对含铰可展桁架频率和幅值的影响,结果表明:间隙和激振力增大可导致桁架固有频率降低,响应幅值增大;摩擦力增大可提高桁架的固有频率。多单元桁架伸展臂的动力学试验结果验证了文中建立的含铰可展桁架动力学模型的正确性。     

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.     

柔性多体系统弹性碰撞动力学建模

以平面柔性双摆为研究对象,基于Hertz接触理论,考虑几何非线性,用变分原理建立了柔性体的动力学变分方程,根据运动学约束关系,运用缩并法,建立了柔性双摆系统接触碰撞的动力学方程.首先通过柔性单摆和固定刚性物体的撞击实验验证了建模理论的正确性.在此基础上,对柔性双摆系统进行仿真计算,得到了撞击力变化规律,并揭示了横向变形和角速度在冲击波传播过程中的突变现象.     

间隙球铰接触区域快速检索及磨损问题高效求解方法

针对多体系统中间隙球铰接触磨损计算效率低的问题,提出一种基于查找表的间隙球铰接触区域检索和磨损预测方法。将球铰接触界面离散化,并将离散点的几何位置、运动参数及磨损信息存储为查找表;任一瞬时球铰内接触探测可通过检索查找表的方式来实现,避免逐点计算空间距离的复杂性;采用修正的赫兹接触模型求解微间隙球面共形接触问题,相对有限元方法有较高计算效率,并可获得较精确的应力分布;在统一计算模型下实现多体力学与接触磨损分析的有效集成。含间隙球铰的空间连杆机构动力学与磨损耦合分析结果表明:曲柄105转磨损周期内,球铰磨损区域基本位于纬度-30°～80°之间,在经度方向的磨损区域随时间而逐渐扩展;总计算耗时为83min,较有限元接触磨损分析具有更高的计算效率。     

基于柔性铰的弹链系统建模及仿真分析

通过分析弹链系统的拓扑结构,综合考虑相邻两链节铰接处的线位移和角位移,提出一种基于柔性铰的弹链多体模型,在ADAMS环境下,使用宏命令功能完成虚拟样机中链节、柔性铰和接触碰撞的自动化建模;合理设置弹链系统的仿真参数,完成弹链的动力学仿真．结合实际对得到的相关曲线做简要分析,得出相应的仿真结论,验证了基于柔性铰弹链模型的合理性与正确性,可以对弹链在运动过程中的振动和冲击问题进行很好的预测和分析．     

连接球铰参数对涡扇发动机安装系统动力学特性的影响

连接球铰作为涡扇发动机铰接连杆式安装系统的主要连接结构,其间隙引起的非线性接触对安装系统动力学特性的影响有必要展开研究。以某涡扇发动机所采用的铰接连杆式安装系统为背景,基于∏相似定理建立了该安装系统的缩比模型,进一步采用多体动力学方法对其进行动力学建模,并采用赫兹接触模型及库伦模型描述连接球铰间的接触碰摩,通过仿真分析,获得了模型中主要参数对安装系统振动传递的影响曲线。结果表明:振动传递过程中,影响系统振动传递率的关键参数是连接球铰的接触刚度、阻尼及摩擦系数,其中接触刚度对系统固有频率有较大影响,阻尼及摩擦系数对系统固有频率处幅值有较大影响。     

基于Kelvin振子的界面摩擦系数计算方法

为了解决界面摩擦系数计算方法问题,假设接触界面的摩擦能量以声子的形式向外传播,因此接触界面微观振子所耗散的能量等于宏观界面向外传递的热能,应用等效阻尼方法可求出等效黏性阻尼;同时提出了Kelvin振子摩擦耗散模型,通过此模型得到表面能变化的损耗率;最后应用"鹅卵石"模型求出摩擦系数.采用此公式计算的结果与前苏联学者Крагепьский等提出的摩擦系数与相对滑动速度试验中极大载荷情况下的摩擦系数变化趋势非常相似.另外,摩擦力计算公式所得数值与Lantz等利用超高真空原子力显微镜研究硅探针在NbSe2试样表面接触和摩擦时的试验结果比较接近.因此证明了此摩擦系数计算公式具有一定的可靠性.     

双粗糙表面接触模型中微观摩擦系数的确定

通过考察双粗糙表面接触模型中微观摩擦系数的取值对接触表面的法向变形与法向载荷关系的影响,研究了磨削表面接触模型中微观摩擦系数的取值问题。采用表面轮廓仪测量磨削表面的轮廓数据,然后建立二维弹塑性有限元模型,计算不同微观摩擦系数时试样的法向变形与法向载荷关系。计算结果表明,接触表面间的微观摩擦系数对低面压下的接触变形影响比较大,载荷比较高的时候,摩擦系数的取值并不显著影响接触变形。在微观摩擦系数不为零时,法向变形与法向载荷关系曲线存在一个下陷区,摩擦系数越小,下陷区越小。与实验结果对比,发现忽略摩擦系数的计算结果与通过实验获得的法向变形与法向载荷关系最为接近,双粗糙表面接触模型中忽略微观摩擦系数比较合适。此外还根据计算结果研究了微观摩擦系数的取值对最高接触应力和真实接触面积的影响,发现忽略微观摩擦时,接触应力水平降低,真实接触面积有减小的趋势。     

结合面静摩擦因数三维分形模型

摩擦磨损导致部分能源的消耗,且主要发生在接触区域,其接触特性依赖于接触表面之间的微观弹塑性变形.本文在三维接触分形理论的基础上,考虑微凸体的完全弹性和完全塑性阶段的变形机制,建立了结合面静摩擦因数的三维分形模型,推导了静摩擦因数f的解析解.通过仿真研究了分形维数D、无量纲分形特征尺度参数G＊以及无量纲法向总载荷P＊等因素对静摩擦因数的影响规律.结果显示,结合面静摩擦因数f先随着分形维数D的增大而增大,然后随着分形维数D的增大而减小;随着无量纲法向总载荷P＊的增大而增大;随着G＊的增加而减小.     

双螺杆压缩机齿间间隙分布的计算

基于双螺杆压缩机齿间间隙的生成原理,提出将阴、阳转子齿面沿接触线的法向间隙作为阴、阳转子的齿间间隙,将螺杆压缩机齿间间隙分布的计算转化为沿接触线的间隙分布的计算,即转化为沿接触线的间隙带的计算.计算结果表明,螺杆压缩机齿间间隙分布存在跃升现象.该方法可以获得完整的齿间间隙分布规律,可以量化不同的齿间间隙获得方法对齿间间隙分布的影响,计算精度能够满足工程设计的需要.     

摩擦与配合间隙对超长大型液压缸承载能力影响规律研究

以水利工程中启闭机油缸为例,对超长大型液压缸最大轴向载荷进行计算分析.研究了两端耳环与支座轴销之间的摩擦、缸筒与活塞杆的配合间隙对轴向承载能力的影响规律,利用有限元软件ANSYS对液压缸进行非线性屈曲分析.样机试验得出最大轴向载荷为580kN,与理论计算值相差约6%,验证了理论模型的合理性.分析结果表明,由强度条件确定的极限载荷小于由稳定性条件确定的临界载荷,液压缸允许的最大轴向载荷由极限载荷衡量.随着配合间隙的减小或摩擦因数的增大,液压缸轴向承载能力增加,如当摩擦因数从0增加到0.3,允许的最大轴向载荷增加约5.5%.     

用于静摩擦力计算的接触界面势能模型

为从理论上直接计算光滑接触平面的静摩擦力和静摩擦系数，从微观上探讨了同种金属材料摩擦副静摩擦力产生的机制，利用金属晶体的强体积效应特征构造出简化计算静摩擦力的接触界面势能模型，根据通用粘附能量函数计算接触界面势能的变化，利用能量原理计算出静摩擦力和静摩擦系数，并建立静摩擦力与固体表面能、材料微观结构参数等的关系．利用已有的试验数据进行计算，其结果具有明显的规律性，并且与超高真空原子力显微镜观察到的铜试样的试验结果吻合较好，表明所提出的方法可行．由于表面能可以灵敏地反映摩擦接触界面的状况，采用所提出的方法有望提高计算精度．     

基于人字齿轮啮合特性的滑动摩擦功率损失

以空间多重共轭啮合理论为基础,利用人字齿轮副轮齿接触特性与承载接触特性,提出一种计算人字齿轮滑动摩擦功率损失的方法。首先,利用人字齿轮副轮齿接触分析(TCA),获得人字齿轮齿面接触路径和印痕。然后,利用人字齿轮副承载接触分析(LTCA),计算得到啮合齿面瞬时椭圆长轴(接触点)上离散点的法向载荷和瞬时接触点的传动误差,把所得到的离散点载荷和传动误差分别转换成齿面瞬时接触点的法向载荷和相对滑动速度,二者与摩擦因数相乘得到人字齿轮瞬时接触点的滑动摩擦功率损失。最后,对人字齿轮齿面所有瞬时接触点的滑动摩擦功率损失进行拟合并积分,最终获得1对人字齿轮轮齿从啮入到啮出的滑动摩擦功损。     

干接触体滑动过程温度场的计算

该文建立无润滑条件下滑动接触模型,考察相对滑动过程中摩擦热的产生以及传导,并研究了工程实际中对胶合、磨损、局部塑性变形有重要影响的局部温升。利用快速Fourier变换,求解L ap lace热传导方程,获得了光滑及粗糙表面的瞬时温升,以及接触体的体内各离散点的温度,从而得到半无限体干接触的温度场。结果表明:局部接触压力和摩擦因数以及相对滑动速度是和摩擦热直接相关的3个参数,在相同载荷下的粗糙峰表面接触处的瞬时温升远高于光滑表面接触处的温升。     

基于势能守恒的被动式微低重力模拟系统平衡因素研究

航天工程的发展对微低重力环境的地面模拟提出了长期使用、部署方便的要求,基于势能守恒的被动微低重力模拟系统是一种合适的手段。由于系统的摩擦、阻尼、自身重力等非理想特性,该类系统的模拟精度、动态性能、性能稳定性受到很大影响。本文针对势能守恒系统中的关节力矩和阻尼展开分析,依据第二类 Lagrange 方程建立动力学模型并结合仿真进行验证分析,得出关节力矩、弹簧组件中阻尼是影响被动式微低重力模拟系统平衡的关键控制参量。同时根据系统受激励后的特性确定了一种阻尼系数取值的单曲函数定量约束的方法,并且进行了案例研究,为相关系统的平衡性研究提供了定量依据和分析方法。