三维大变形梁系统的动力学建模与仿真*

对三维大变形柔性梁系统的动力学建模和仿真进行了研究。采用绝对节点坐标法描述柔性体的大变形和大位移运动,并由此建立三维大变形柔性梁系统的动力学模型。在此动力学模型基础上,编制动力学仿真软件,实现了对三维大变形柔性梁系统的动力学仿真。给出了两个动力学仿真算例。第一个对柔性单摆自由下落进行了动力学仿真,并与现有文献结果相比较,验证了模型的正确性。第二个对空间柔性双摆的自由下落过程进行了动力学仿真,并将模型计算的结果与使用ADAMS软件计算的结果进行比较。研究结果表明,ADAMS在计算大变形物体动力学时具有局限性,而所得的模型能够有效地对三维大变形柔性梁系统的动力学进行仿真解决这类动力学问题。     

航空发动机叶片刚柔耦合动力学分析

航空发动机叶片是航空发动机重要零件之一,常常因共振而导致断裂失效。传统航空发动机叶片的振动特性分析普遍基于零次近似耦合动力学模型,该模型忽略了动力刚化项,得到的结果具有一定局限性。为了更加准确地分析高速转动的航空发动机叶片的振动特性,对叶片刚柔耦合动力学问题进行了研究。将叶片简化为柔性薄板,考虑面外变形和面内变形,并计入了面外变形引起的面内变形,即变形耦合项。采用假设模态法描述叶片的变形,运用拉格朗日动力学方程建立了做三维空间大位移运动的柔性叶片一次近似耦合动力学方程。同时采用多体系统动力学软件MSC.ADAMS对旋转叶片的动力学性态进行了研究,并将所得的叶片动力学理论模型结果和ADAMS的结果进行了比较。结果显示一次近似耦合模型理论结果与实际结果相符,而ADAMS和零次近似耦合模型在叶片高转速时仿真结果存在缺陷。基于所得的叶片一次近似耦合模型,对叶片振动频率、“频率转向”和“振型转换”问题进行了分析,验证了所提出的方法的可行性。     

旋转悬臂梁动力学的B样条插值方法

采用B样条插值方法对旋转悬臂梁的动力学特性进行研究。考虑柔性梁的纵向拉伸变形和横向弯曲变形,计入由于横向弯曲变形引起的纵向缩短,即非线性耦合项。利用B样条插值方法对柔性梁的变形场进行离散。采用Lagrange方程建立系统的动力学方程,并编制旋转悬臂梁动力学仿真软件。进行动力学仿真,将B样条插值方法的仿真结果与假设模态法、有限元法进行比较分析,验证了提出的方法的正确性,并表明B样条插值方法作为变形体离散法在柔性多体系统动力学中具有优良性能和应用价值。     

计及变形耦合的双连杆柔性机械臂动力学模型

根据连续介质的几何非线性变形原理,结合柔性多体系统建模理论的最新进展,在柔性梁的纵向、横向变形位移中均考虑了横向弯曲变形以及轴向伸缩变形的耦合作用,对一双连杆柔性机械臂系统,将其简化为柔性梁结构,利用有限元法和Lagrange方程,得出不同于传统零次近似方程,也不同于一次耦合动力学方程的新方程, 并可将此方程拓展到多杆机械臂系统。模型包含了二次耦合附加项,并且由于增加了变形耦合量,对柔性梁产生了“软化”作用,使得柔性机械臂模型不同于传统动力学模型。最后,计算仿真说明了这种差异,揭示了新模型的特点和有效性。     

非线性变形对大范围平面运动梁动力学特性的影响

根据柔性梁的几何非线性变形理论,从连续介质的力学原理出发,针对大范围运动的平面柔性梁,考虑了弯曲的非线性因素对横向变形的影响,得到了较为精确的变形模式。利用Lagrange方程建立了非线性变形模式下的动力学方程。仿真算例说明横向变形的非线性因素会对柔性梁的变形位移产生影响。     

道岔侧板变形装置刚柔耦合动力学仿真分析

考虑电动推杆的推力、车辆通过时的离心力以及各构件间的相互作用,结合基于有限元法的柔性体模态计算,建立了轻轨道岔的侧板变形装置的刚柔耦合动力学模型,采用ADAMS软件对该装置进行多体动力学仿真计算,得出各构件的载荷、位移时间历程以及侧板和凸轮组的应力云图,可为道岔侧板变形装置的结构设计提供理论依据。     

铣削机器人动力学建模及仿真研究

铣削机器人在铣削过程中的动力学状况对机器人在铣削过程中的运动及其稳定性具有较大影响。以6-DOF铣削机器人为研究对象,利用Creo三维软件建立机器人三维模型,获得建立机器人动力学模型的惯性参数;采用Newton-Euler递推法建立该机器人的动力学方程,并在MATLAB环境下对所建立的动力学方程进行编程,对机器人运动过程进行计算分析;利用ADAMS软件对建立的三维模型进行动力学仿真分析,通过比较MATLAB计算结果与ADAMS仿真分析结果,以验证动力学方程的准确性,为铣削过程中铣削机器人动力学状况研究提供理论基础。     

气动肌肉质量项动力学建模及仿真

单独考虑气动肌肉的质量项并在动力学推导中将其看成沿圆柱体均匀分布的质点系,利用拉格朗日方程建立了气动肌肉质量项动力学模型。利用ANSYS对气动肌肉柔性体进行了网格划分,并将生成的模态中性文件导入ADAMS进行了动力学仿真,仿真结果验证了动力学模型的正确性。     

柔性机械臂的动力学分析与实验研究

采用有限段方法建立柔性机械臂的离散模型，以基于Ｋａｎｅ方程的Ｈｕｓｔｏｎ方法建立柔性机械臂的动力学方程。在方程中，计入几何非线性变形的惯性影响，包括非对称花面当量弹性力对于广义主动力的贡献。求解过程引入相对位移的模态变换以提高计算效率。以单柔性机械臂为例，进行动力学仿真与实气研究。结果表明数值计算结果与实验结果吻合良好。     

平面柔性并联机器人动力学建模

利用有限元理论研究柔性并联机器人动力学建模的理论和方法,分析各支链的弹性位移及其耦合关系,建立柔性并联机器人系统的运动约束条件和动力约束条件。综合考虑构件的分布质量、集中质量以及杆件的剪切变形、弯曲变形、拉压变形和横向位移的影响,运用运动弹性动力学理论和Lagrange方程,推导出平面柔性并联机器人的动力学方程。以平面3-RRR柔性并联机器人为例,说明该动力学模型能正确反映柔性并联机器人的弹性振动特性,杆件的弹性变形对机器人动平台的位置误差和方向误差具有重要影响。     

柔性欠驱动机械臂动力学耦合分析

为建立柔性3R欠驱动机械臂的动力学方程,采用Euler-Bernoulli梁模型并添加经迭代计算的边界条件,对柔性机械臂进行了动力学耦合与仿真分析。在对柔性机械臂进行模态分析的基础上,将柔性机械臂视为包含边界条件的悬臂梁和简支-自由梁模型,采用假设模态法建立柔性3R欠驱动机械臂的动力学模型。仿真结果证明：添加经迭代计算的边界条件的柔性梁模型能更好地反映自由关节的加速度耦合情况。最后对柔性欠驱动机械臂与刚性欠驱动机械臂进行关节耦合指标分析,结果表明柔性欠驱动机械臂的自由关节包含更复杂的耦合情况,对柔性机械臂弹性振动的控制是对柔性欠驱动机械臂控制的关键。     

未知环境下柔性二连杆机械臂的自适应阻抗控制

针对机器人与环境接触作业的需求,基于假设模态法建立了刚柔耦合动力学模型,并考虑环境参数不精确干扰,设计了自适应阻抗控制器,分析了其稳定条件。在MATLAB/Simulink中搭建了可对柔性机械臂进行自适应阻抗控制的仿真平台,计算了平面内二连杆柔性机械臂在含有三角形凹陷环境表面的接触运动和柔性变形模态。对比分析了刚性和柔性机械臂位控和力控效果及自适应项对控制响应的影响。基于Staubli机器人展开了实验。结果表明：柔性变形会使得机械臂的位控和力控效果变差;自适应阻抗控制会改善控制响应,对环境不确定具有鲁棒性。设计的自适应阻抗控制可实现柔性机械臂在不规则表面的稳定接触和运动。     

一种柔性冗余度机器人振动抑制的复模态法

研究了柔性机器人末端振动的抑制控制问题,方法是将机器人动力学方程进行分解,再将分解得到的柔性振动动力学方程写成状态空间的形式,根据复模态分析的原理对其进行分析,利用柔性冗余度机器人具有的自运动优化能力,提出了一种自运动优化选择的复模态法,该方法通过自运动的优化选择在复模态空间中零化低阶模态的激励力,以实现对机器人末端振动的抑制。针对一个末杆为柔性杆的3维4自由度机器人进行了控制仿真,仿真同时对比使用了其它2种同类方法,仿真结果验证了本方法的有效性,并显示复模态法取得了比其同类方法好很多的末端振动抑制效果。     

柔性冗余度机器人运动规划的最小能量法

柔性机器人的末端运动规划是机器人领域的重要前沿课题之一。利用冗余度机器人的自运动 ,可能使柔性机器人精度提高 ,但目前的研究大多是基于伪逆解的最优规划。本文首次在最小能量意义下对柔性冗余度机器人的最优规划进行了研究 ,以具有两冗余度的平面四柔性臂机器人为例进行了最优规划 ,通过与伪逆解方法比较 ,充分显示了最小能量法在柔性机器人最优规划中的重要作用。     

综合考虑关节及杆柔性的空间机器人动力学分析

提出了空间柔性转子梁单元模型,建立了考虑关节及杆柔性的空间机器人动力学方程。首次给出了一个四杆空间机器人的数值算例,说明了柔性空间机器人的弹性变形对方向误差及位置误差都具有很重要的影响,杆和关节的弹履变形之间有相互耦合影响作用。     

多体动力学的休斯敦方法及其发展

介绍多体动力学休斯敦方法的核心内容（含低序体阵列、变换矩阵、广义坐标及其导数、运动参数计算和动力学方程等）及其发展,即柔性体的有限段方法及综合模态分析方法。将变形表示为二阶小量形式,基于小变形原理,适时进行线性化,以获取动力刚化项和一致线性化动力学方程。     

基于绝对坐标的柔性机器人逆动力学建模和轨迹跟踪

采用了 Timoshenko梁理论和有限元法 ,由 L agrange方程建立了基于绝对坐标的柔性机器人逆动力学模型。由提出的非线性方程数值解法 ,求解出柔性机器人的输入关节角或驱动力矩 ,以此作为输入参量 ,可使机器人能够非常准确地跟踪末端轨迹。文中就三柔性臂机器人进行了仿真 ,验证了本方法的有效性     

刚柔耦合柔性机械手二阶理论精准建模及实验研究

基于动边界条件和三种变形理论,选取Euler-Bernoulli梁模型,采用假想模态法并结合拉格朗日方程建立了双关节柔性机械手的精准动力学模型。根据理论计算仿真结果分析了动边界条件和变形理论对双关节柔性机械手理论建模精准性的影响,并通过实验对比双关节柔性机械手在不同动边界下理论模型和实验条件下的模态频率,验证了转动自由梁模型与实际工况更为贴近。     

计入材料阻尼的平面柔性连杆机器人的动力学建模和计算

应用粘弹性模型和Lagrange方程，建立了同时考虑构件材料阻尼和变形影响的平面柔性连杆机器人的显式动力学方程。在此基础上，以一平面双柔性连杆机器人为计算实例，求得了该机器人的运动响应。