刚体惯性参数的动态测试研究

根据刚体动力学原理、频响函数曲线的质量线理论,推导出表征刚体惯性参数的基本原理。然后提出频响函数的拟合方法,并通过误差分析,研究和改进试验方法及优化数据处理,对某圆柱形质量块惯性参数的测试值与理论值比较,标定整个测量系统的误差。最后以某型汽车动力总成为研究对象,基于试验模态分析技术完成该动力总成相关惯性参数的动态测试。     

A method for measuring the inertia properties of rigid bodies

A method for the measurement of the inertia properties of rigid bodies is presented. Given a rigid body and its mass, the method allows to measure (identify) the centre of gravity location and the inertia tensor during a single test. The proposed technique is based on the analysis of the free motion of a multi-cable pendulum to which the body under consideration is connected. The motion of the pendulum and the forces acting on the system are recorded and the inertia properties are identified by means of a proper mathematical procedure based on a least square estimation. After the body is positioned on the test rig, the full identification procedure takes less than 10 min. The natural frequencies of the pendulum and the accelerations involved are quite low, making this method suitable for many practical applications. In this paper, the proposed method is described and two test rigs are presented: the first is developed for bodies up to 3500 kg and the second for bodies up to 400 kg. A validation of the measurement method is performed with satisfactory results. The test rig holds a third part quality certificate according to an ISO 9001 standard and could be scaled up to measure the inertia properties of huge bodies, such as trucks, airplanes or even ships.     

基于 HHT 的转动惯量测量技术研究

为提高扭摆法测量大型回转体转动惯量的测量精度,克服线性转动惯量测量模型及周期法转动惯量计算的弊端,开展了基于希尔伯特-黄变换(HHT)的转动惯量测量技术研究。建立了考虑摩擦阻力矩的非线性转动惯量测量模型,在此基础上,通过经验模态分解提取了角位移主分量,利用希尔伯特变换识别了扭摆系统的瞬时阻尼系数和瞬时无阻尼固有频率,最后利用最小二乘法拟合得到非线性模型参数,精确求解了转动惯量。研制了一套大型回转体转动惯量测量系统,对不同组合的标准件进行转动惯量测量试验,验证了基于HHT的转动惯量计算方法的可行性。大量试验测量结果表明,本系统转动惯量测量相对误差小于0.2%,测量精度显著优于传统的周期法测量结果。     

履带式移动机器人车体跌落碰撞仿真分析

移动机器人本体与地面冲击碰撞过程属于高度非线性结构问题,数值仿真与模拟试验技术为其求解提供了有效的解决方法。文中应用非线性有限元分析法对小型履带式移动机器人机动平台的跌落碰撞过程进行仿真计算。采用ProE软件建立机器人平台机架的三维实体模型,从中获得零件准确的质量、质心位置和惯性矩等计算参数。两侧塑料履带轮和橡胶履带简化成四个超弹性橡胶轮,地面被简化为一刚体材料,地面与平台机体接触刚度川橡胶轮弹性等效代替,忽略箱体上轴孔,对箱体中的零件质量采用等效质量方法分摊到简化的箱体上。利用ANSYS／LS-DYNA模块分析平台在不同高度、不同着地姿态下跌落碰撞过程,获得跌落碰撞过程中的应力、变形值,仿真结果清楚显示出平台本体内部应力、应变及变形随时间变化的详细分布情况。与试验法相比,有限元数值仿真法节省时间、降低费用、提高设计质量。对机器人本体设计、研究工作具有重要的参考意义。     

Combined estimation method for inertia properties of STSAT-3

In general, the information of mass properties is required to control a spacecraft. The mass properties, mass and inertia, are changed by some activities, e.g., consumption of propellant, deployment of solar panel, sloshing, etc. Various estimation methods have been studied to obtain the accurate mass properties. The gyro-based attitude data including noise and bias needs to be compensated for improvement of attitude control accuracy. In this paper, several filtering methods have been investigated for the inertia estimation of STSAT-3 and a new method is suggested for better performance. First, we filter the gyro noise with the extended Kalman filter, and then estimate the inertia using the batch method. The estimated inertia is then fed back to nominal values of the extended Kalman filter. This process is iterated until the estimated properties are converged. The performance of the suggested method has been verified for the case of STSAT-3, Korea Science Technology Satellite.     

曲柄滑块机构惯性力部分平衡的研究

指出了以往运用质量代换方法对曲柄滑块机构惯性力进行部分平衡的不足，运用MATLAB编程计算重新描绘出分别考虑一级惯性力和二级惯性力时各惯性力的变化曲线，通过优化程序重新估算了使机构中残存的最大惯性力的最小配重条件，并进行了理论对比。     

拖拉机制动性能检测方法及装置的设计研究

针对拖拉机动态制动性能检测问题,在研究现有拖拉机转鼓试验台架的基础上,提出了基于等效转动惯量的拖拉机制动性能检测方法,其原理是:根据被测拖拉机的质量采用相等转动惯量的惯性转鼓,通过测量转鼓试验台架的滚筒制动距离和制动时间,实现拖拉机动态制动性能检测。设计了变质量惯性转鼓试验台架,并通过实车制动性能试验,验证了方法的可行性与测试台架的可靠性。研究结果表明,检测结果能真实反映制动器的效能,且误差小。     

基于ADAMS直线往复振动筛惯性力平衡的研究

利用三维建模软件Pro/E,建立了直线往复振动筛(以下简称振动筛)的实体简化模型;并通过数据交换,导入动力学仿真软件ADAMS中,建立了直线往复振动筛的运动学模型。在适当增大机构尺寸的情况下,对稳定体筛体的惯性力进行了部分平衡设计,减少了整个振动筛的总质心运动范围,使总质心运动稳定,减少了机构的惯性力,进而减少了机构的振动,提高了振动筛的使用寿命。在稳定体填充量不同的几种情况下进行仿真,将各种情况下的惯性力平衡效果进行对比,得出最佳方案,为振动筛或类似机构惯性力的部分平衡提供参考和借鉴。     

Non-linear torsional vibration characteristics of an internal combustion engine crankshaft assembly

Crankshaft assembly failure is one of the main factors that affects the reliability and service life of engines.The linear lumped mass method,which has been universally applied to the dynamic modeling of engine crankshaft assembly,reveals obvious simulation errors.The nonlinear dynamic characteristics of a crankshaft assembly are instructionally significant to the improvement of modeling correctness.In this paper,a general expression for the non-constant inertia of a crankshaft assembly is derived based on the instantaneous kinetic energy equivalence method.The nonlinear dynamic equations of a multi-cylinder crankshaft assembly are established using the Lagrange rule considering nonlinear factors such as the non-constant inertia of reciprocating components and the structural damping of shaft segments.The natural frequency and mode shapes of a crankshaft assembly are investigated employing the eigenvector method.The forced vibration response of a diesel engine crankshaft assembly taking into account the non-constant inertia is studied using the numerical integral method.The simulation results are compared with a lumped mass model and a detailed model using the system matrix method.Results of non-linear torsional vibration analysis indicate that the additional excitation torque created by non-constant inertia activates the 2nd order rolling vibration,and the additional damping torque resulting from the non-constant inertia is the main nonlinear factor.The increased torsional angular displacement evoked by the high order excitation torque relates to the non-constant inertia.This research project is aimed at improving nonlinear dynamics theory,and the confirmed nonlinear parameters can be used for the structure design of a crankshaft assembly.     

平面机构惯性力部分平衡最佳平衡量的选取

论述了构件质心加速度或角加速度产生的惯性力对平面机构的影响及其主要平衡方法。根据惯性力平衡的原理。利用回转质量能够部分平衡曲柄滑块机构惯性力；并以曲柄滑块机构为例，以剩余惯性力的最大值为最小作为优化目标进行最佳平衡质量的选取。给出了求取最佳平衡量的简单计算框图。     

A SURVEY OF CURRENT INERTIA PARAMETER IDENTIFICATION METHODS

The knowledge of the 10 inertia parameters mass, centre of gravity and inertia tensor (moments and products of inertia) of mechanical systems is of great interest whenever the dynamic behaviour is significantly governed by these parameters. In this paper, a survey of currently available inertia parameter identification methods shall be given. At first, the governing equations of motion will be summarised. Then a classification of the identification methods will be presented that is based on the general equations of motion of a rigid body and their simplifications with respect to several linearisation steps. In addition, the individual methods will be highlighted in detail while the requirements will be discussed and attainable accuracy limits are given where possible.     

机器鱼自主游动中变形体耦合动力学的数值研究

为机器鱼的自主巡游、机动转弯和"加速—滑行"游动的动力学特性研究做准备,结合样机试验数据来证明所选驱动方式的优越性,提出一种新的求解机器鱼自主游动动力学的数值算法。认为鱼体质心在绝对系下的运动是由流体外力与自身主动变形共同作用的结果;运用离散化方法推导出新的鱼体域的控制方程,从而提出新的算法。给定鱼体系下机器鱼的主动变形方程,通过耦合求解鱼体域、流体域的控制方程,得到机器鱼的运动过程中的运动学和动力学参数。通过自主游动算例验证了所提数值算法的正确性。     

动平台惯性参数对柔性并联机构动力学特性的影响及优化设计

利用柔性并联机构的动力学模型,定性地分析了动平台质量、转动惯量对柔性并联机构的动态响应、动态应力及固有频率的影响。以动平台惯性参数边界条件、运动误差、固有频率、动态应力、驱动力矩等限制条件作为约束方程,将机构总质量函数和弹性变形能函数采用线性加权组合成多目标函数,进行多目标优化设计,确定了动平台的最佳惯性参数。通过对平面3- R RR柔性并联机构算例的分析和讨论,说明了动平台惯性参数在柔性并联机构的动力学分析和设计中的重要作用。     

动车组车下设备对舒适度的影响分析

为研究车下设备对动车组舒适度的影响，建立考虑车体弹性和多个车下设备的高速动车组垂向动力学模型，实现设备的质量参数、结构参数和悬挂参数等参数化建模，基于频域分析法推导系统加速度频响函数表达式，采用随机轨道不平顺激励功率谱和舒适度滤波函数计算舒适度指标，基于最优同调理论设计设备的最优悬挂频率和阻尼比并进行数值验证。结果表明，车体垂弯频率越高、设备质量越大且越靠近车体中心安装，舒适度指标越小，车辆乘坐舒适性越好，建议将大质量设备（4 t及以上）悬挂在距车体中心5 m以内；设备质心纵向偏心导致其吊挂点的作用力力臂改变和转动惯量增加，造成舒适度指标略有增加；在优化设备悬挂参数时，可以忽略车体结构阻尼的影响；设备质量越大，最优悬挂频率越低、最优悬挂阻尼比越大，且应当基于加速度响应设计最优悬挂阻尼比，最优同调条件为车体和设备的相位差接近π/2；针对所述车辆，设备最优悬挂频率和阻尼比分别为7 Hz和0.2~0.3，车体加速度功率谱中的弹性振动主频得到充分抑制。     

面向管道机器人的非对称惯性驱动系统及其动力学特性

针对恶劣管道作业环境，提出了一种由非圆齿轮和双轴偏心块组成的非对称惯性驱动机器人。阐明了同性干摩擦环境中机器人的惯性驱动原理，研究了非圆齿轮偏心率、阶数以及非圆齿轮与偏心块间相位角对惯性力的影响规律，获得了适合同性摩擦条件的非对称惯性力激发原则；通过数值方法求解出水平和倾斜管道中机器人的动力学模型，分析了机器人平均移动速度随系统参数的变化规律。研究结果表明：随机器人与偏心块的质量比和管道倾角(机器人爬坡状态)的增大，机器人移动速度减小;随电机角速度、非圆齿轮偏心率、偏心块回转半径以及管道支承力的增大，机器人移动速度先增大后减小。     

轿车整车转动惯性测试方法与误差分析

整车转动惯量在汽车操纵稳定性、制动性和行驶平顺性等汽车性能的计算机仿真中是重要的参数 ,文中介绍了自制转动惯量试验台将轿车整车假设为刚体进行转动惯量静态测试的方法 ,并对其进行误差分析     

基于频响函数数据筛选的发动机惯性参数识别

发动机的惯性参数为质量、质心位置的3个坐标、绕3个轴的转动惯量以及3个惯性积共10个参数。在振动模态试验测试的频响函数基础上,提出了利用质量线识别台架上发动机10个惯性参数的改进方法,较精确地识别了发动机的10个惯性参数。根据一定的误差限水平,筛选合适的激励点和响应点处的频响函数数据,剔除互易性差的数据,提高了识别精度。台架试验验证了所提改进方法的正确性。     

复杂不规则刚体转动惯量的测试原理和方法

为了测量复杂不规则刚体转动惯量，采用时间常数法，通过A/D卡PS2129的定时/计数器8253高精度测速、计时，能较好地应用于测量转动惯量。     

仿人型跑步机器人的运动学分析

提出了一种对仿人型跑步机器人的运动学进行分析的新方法。首先建立惯性坐标系、参考坐标系和物体坐标系，再根据D-H规则推导各个坐标系之间的转换矩阵，并用它们来分析正向运动学问题。通过推导机器人质心轨迹、双脚轨迹和各个关节角度之间的关系式，得到了跑步机器人逆向运动学的计算公式。仿真结果表明：这种方法对于求解仿人型跑步机器人的正向运动学和逆向运动学问题，具有求解速度快、精度高等优点。     

末端质量和关节惯量对柔性臂运动稳定性的影响分析

采用控制系统稳定性分析方法研究了柔性机械臂的末端质量和驱动关节转动惯量对柔性机械臂弹性运动稳定性的影响。首先推导了末端有集中质量的柔性机械臂的动力学模型,建立了以驱动力矩为输入、以末端位置弹性振动为输出的柔性机械臂系统的传递函数。然后,用劳斯判据建立了末端位置弹性运动稳定性判据。用建立的稳定性判别式计算并对比了不同末端质量和关节转动惯量下柔性机械臂弹性运动的稳定性,定量验证了这两个参数对柔性机械臂弹性运动稳定性的影响程度。