考虑运动副间隙的机构动态特性研究

为了研究运动副间隙对机构系统动态特性的影响,建立一种改进的间隙非线性连续接触碰撞力的混合模型,同时采用修正的库仑摩擦模型描述间隙处的摩擦作用,然后将间隙接触碰撞模型嵌入到ADAMS多体系统动力学分析软件中,以曲柄摇杆机构为对象,建立了含间隙机构的动力学模型并进行动力学仿真分析,仿真结果可以准确地预测运动副间隙对机构动态特性的影响,为机构设计提供了参考和依据,并且建立的间隙接触碰撞力的混合模型拓展了间隙铰接触碰撞动力学建模与含间隙机构动力学特性的研究,有利于工程实际应用。     

考虑三维圆柱铰间隙碰撞的空间机构柔性多体动力学分析方法

三维圆柱铰的动态性能对空间机构的运动精度和动力学特性有着重要的影响。基于多体动力学方法和刚体有限元方法,提出考虑三维圆柱铰的间隙碰撞和动态接触作用的空间机构柔性多体接触动力学方法。采用圆柱-圆柱的线接触力学模型和切片法,计算圆柱-圆柱的接触变形量和接触力,建立三维圆柱铰的轴销与轴套之间的间隙碰撞作用和三维动态接触关系。以等效刚体单元和Timoshenko梁单元描述柔性杆件的刚性有限元模型,建立柔性连杆和三维圆柱铰的具有多刚体系统的统一形式的动力学方程。计算分析了含三维圆柱铰的空间机构的运动精度和动力学特性,获得空间机构的位移响应,三维圆柱铰的相对运动轨迹和动态作用力等动力学响应。采用三维圆柱-圆柱动态线接触方法,能有效地预测空间机构系统的三维圆柱铰持续接触、间隙碰撞状态和摩擦作用下的动力学特性。计算结果表明三维圆柱铰的间隙碰撞作用对空间机构的运动精度和动态特性的影响较为显著。动力学模型和计算结果对复杂工况下高精度多间隙的空间机构的动态设计和动力学研究具有重要的理论意义。     

间隙铰链对平面机构碰撞动力学特性影响分析EI北大核心CSCD

为了研究间隙铰链对机构动态性能的影响,建立了一种含轴向尺寸的线接触碰撞铰模型,在此基础上提出一种改进的非线性法向碰撞力模型和修正的切向库伦摩擦力模型,以平面含间隙铰链曲柄滑块机构为研究对象,通过不同间隙值下的滑块加速度、间隙铰链处接触力、加速度频谱以及速度-加速度相图分析,研究了间隙值对机构碰撞动力学特性的影响规律。研究结果表明:间隙会导致机构动态性能出现明显的振荡现象,且随着间隙值的增大,振荡加剧、振荡幅值上升,但振荡频率降低;同时,在间隙铰链的影响下,机构动态特性呈现出非线性现象,且间隙越大,非线性现象越明显。     

间隙铰链对平面机构碰撞动力学特性影响分析

为了研究间隙铰链对机构动态性能的影响,建立了一种含轴向尺寸的线接触碰撞铰模型,在此基础上提出一种改进的非线性法向碰撞力模型和修正的切向库伦摩擦力模型,以平面含间隙铰链曲柄滑块机构为研究对象,通过不同间隙值下的滑块加速度、间隙铰链处接触力、加速度频谱以及速度-加速度相图分析,研究了间隙值对机构碰撞动力学特性的影响规律。研究结果表明:间隙会导致机构动态性能出现明显的振荡现象,且随着间隙值的增大,振荡加剧、振荡幅值上升,但振荡频率降低;同时,在间隙铰链的影响下,机构动态特性呈现出非线性现象,且间隙越大,非线性现象越明显。     

非公差间隙圆柱副机构动态响应分析

针对ADAMS软件中Hertz接触力模型在凸面与凹面机构碰撞中精度低的问题,提出了一种适合非公差间隙圆柱副机构接触力模型。将Goldsmish模型刚度系数与基于改进弹性基础接触模型求导而得的非线性刚度系数进行优化组合,建立了对非公差间隙更具适用性的法向接触力模型,同时引入LuGre摩擦力作为切向接触力模型来描述机构间的相互作用关系。应用ANSYS软件对法向接触力模型进行了数值验证,在此基础上以某火炮身管与摇架间隙为对象,基于建立的改进接触模型对身管与摇架机构进行了动力学仿真分析,仿真结果可准确反映非公差间隙对身管动态特性的影响,为研究摇架结构参数对火炮射击精度的影响提供了参考和依据,同时建立的接触力模型为其他非公差间隙圆柱副机构动力学分析提供了更准确的数学模型。     

含关节间隙的3-CP_aRR并联机构的运动学和动力学分析

为研究关节间隙对并联机构动态特性的影响,以3-CP_aRR并联机构为研究对象。基于该并联机构的运动学约束,研究了该并联机构的运动学规律,表明该并联机构驱动圆柱副可等效分解为驱动移动副和被动转动副;利用正态分布概率统计模型建立了含间隙转动关节径向和轴向的运动学模型,进而建立了含关节间隙的支链运动学模型;根据关节元素间接触运动学模型,基于Flores接触力模型和修正的Coulomb摩擦模型分别建立了转动关节的法向接触力和切向接触力模型,并基于非完整系统的Lagrange方程法建立了含关节间隙并联机构的动力学模型;通过实例计算详细分析了转动关节间隙对并联机构运动学特性和动态响应的影响;此外,通过与标准正态分布模型参数μ对比,分析了定义关节元素初始接触时的间隙量为μ值时的物理意义。该研究可为其他含关节间隙多体系统的研究提供新的研究方法和理论基础。     

含间隙RU-RPR解耦并联机构混沌与冲击现象

针对含间隙机构中的混沌与冲击现象,以自主提出的RU-RPR(R为转动副,U为虎克铰,P为移动副)两转动解耦并联机构为研究对象,考虑运动副间隙,结合Lankarani-Nikravesh接触力模型与拉格朗日方程建立间隙机构动力学模型,分析不同的驱动速度和摩擦因数对机构中混沌现象与冲击的影响,同时探讨机构的稳定性与冲击现象的关系,并分析增设弹簧对机构动力学特性的影响。研究结果表明,改变驱动速度与摩擦因数时,冲击现象仍然存在,而机构可以由混沌运动变为周期运动,稳定性增强;机构的稳定性与冲击现象并没有必然的联系,且增加弹簧可以显著的减弱机构中的冲击程度。     

不同运动副材料对间隙机构动力学特性的影响

研究不同运动副材料对间隙机构动力学特性的影响。在考虑库仑摩擦的条件下,利用非线性等效弹簧阻尼的概念建立了含间隙运动副的接触动力学模型。在此基础上,利用动力学分析软件ADAMS考查了运动副材料不同时间隙机构动力学性能的变化。分析结果表明材料不同时运动副的摩擦、刚度和阻尼等因素均能影响机构的动力学性能,因此在设计时要加以考虑以提高机构性能并减少能量损失。     

考虑圆柱副间隙的连杆机构动力学研究

为了研究包含圆柱副间隙的机构系统动力学特性,提出了一种同时考虑接触类型、材料属性以及涂层材料与厚度的圆柱副内接触力模型。基于Winkler弹性基础模型和Hertz椭圆形压力分布假设,将双弹性层等效弹性模量引入接触力模型,详细分析了所提接触力模型相较现常用共形接触力模型的优点。以含间隙关节曲柄滑块机构为例,对比分析不同间隙值和驱动速度、以及涂层材料与厚度对输出构件的动力学影响,将部分结果与文献中的试验结果进行对比,验证了所提接触力模型的正确性。     

含间隙运动副机构的动力学特性研究

为了研究间隙运动副对机构动力学特性的影响,综合考虑转动副轴向尺寸、材料非线性系数以及碰撞过程能量损耗等因素,建立了一种改进的非线性接触碰撞力模型,同时提出了一种用于描述间隙处摩擦作用的修正的库伦摩擦模型。以曲柄滑块机构为研究对象,将上述接触碰撞力模型和摩擦力模型嵌入到系统动力学模型中,进行了动力学仿真分析,研究了不同间隙、驱动载荷及摩擦系数对机构动力学特性的影响,并将仿真结果与试验测试数据进行了对比分析。结果表明：基于文中改进的非线性接触碰撞力模型、修正的库伦摩擦力模型仿真计算结果,与实验结果吻合较好,能够准确、有效地描述含间隙运动副机构的动态特性。     

反作用轮铰间隙对航天器动态特性影响分析

反作用轮是高精度航天器姿态控制系统的主要扰动源之一,其转动副间不可避免的含有间隙,研究铰间隙对航天器动态特性影响,对建立更精确的反作用轮扰动模型至关重要。基于虚拟样机技术,采用非线性弹簧阻尼模型建立间隙处的接触碰撞模型,同时采用修正的Coulomb摩擦模型考虑运动副间隙处的摩擦作用,进而建立考虑反作用轮铰间隙的卫星系统虚拟样机模型,对其进行动力学仿真分析,详细分析间隙对系统各动态变量的影响,为卫星系统的结构设计及控制策略的制定提供参考。     

含关节间隙的3-CPaRR解耦并联机构弹性动力学建模与分析

为研究关节间隙对柔性化条件下并联机构输出运动特性的影响,以3-CPaRR并联机构为研究对象。首先,根据该并联机构的空间位置关系,研究了该并联机构的运动学规律,表明该并联机构驱动圆柱副可等效分解为驱动移动副和被动转动副;其次,基于空间位置矢量模型,建立了含间隙转动关节径向和轴向的运动学模型,从而进一步建立各支链转动关节处含间隙的运动学模型;然后,基于Lankarani-Nikravesh接触力模型和Coulomb摩擦力模型建立各支链转动副处存在关节间隙时的法向、切向力学模型,并将各被动关节处由于间隙的存在而产生的力向驱动关节处进行转化,从而建立了含关节间隙的3-CPaRR并联机构弹性动力学模型,最后通过实例分析了不同的关节间隙对该并联机构运动特性的影响。结果表明:含有关节间隙的柔性支链对并联机构的输出运动特性产生了重要的影响,同时该研究也为其他的含关节间隙的多体系统弹性动力学建模提供了理论基础。     

Towards approximate models of Coulomb frictional moments in: (I) revolute pin joints and (II) spherical-socket ball joints

In general, the rigid-contact assumption has been used to estimate the frictional moment between two bodies in contact. In a multi-body connection, two types of passive interconnection are considered in this paper, namely pin joint and spherical-ball joint. The joints are assumed to be passive at the localized configuration space of the multi-body systems and are assumed to be actuated remotely. The traditional approach for modelling such frictional contact does not consider the elastic deformation of joints. Two approximate models are presented for both revolute pin joints and spherical-socket ball joints. The proposed models offer a more accurate estimation of the Coulomb frictional moment. The new models offer a compact solution which can be easily extended to other geometrical multi-body contact configurations with various degrees of clearance. The proposed models can be used in the dynamic modelling and control of multi-body systems in frictional contact.     

Stress analysis of a pinned wood joint by grey-field photoelasticity

Pinned (bolted) joints/connections are a widely used, but difficult to analyze, component. Their bolt/hole interface stresses are typically unknown a priori. Structural failures often initiate at connections and their contact stresses can be the “Achilles’ heel”. Although such connections are extremely prevalent in wood structures, ability to determine the individual stresses in mechanical wood joints is aggravated by the material’s orthotropy. Solutions to such non-linear problems that account for finite geometry, pin/hole friction and clearance are non-trivial. Many mechanical-joint analyses ignore friction for simplicity, but some contact friction is virtually always present. By applying a thin birefringent coating to the wood, the individual stresses and strains in the coating (and hence in the wood) are determined by synergizing grey-field photoelasticity, a stress function and boundary information. Full-field individual stresses are obtained in the wood, including at the contact boundary. Predicted strength based on the determined stresses is compatible with the connection failure.     

基于刚柔耦合的卫星舱壳体平抛式分离仿真与试验研究

针对卫星舱壳体分离过程中柔性效应带来的影响,基于柔性多体动力学方法,建立了复合材料卫星舱壳体平抛式分离的刚柔耦合动力学模型,采用推冲器的推力-位移关系实现了从地面试验到任意工况的推冲器推力等效,对柔性体模型和刚体模型进行了仿真及对比分析。结果表明:壳片弹性变形以2阶“呼吸运动”模态为主,吸收了约推冲器做功的15%,分离速度降低;分离面下角点处“呼吸运动”最为剧烈,半罩第一次向内“呼吸运动”时对内包络的影响最大;柔性效应还会影响推冲器推力作用的时间历程。进行卫星舱分离地面试验,采用高速摄影测量半罩运动情况,对比验证了仿真方法的正确性,仿真误差在13%以内。研究结果有助于确保分离方案的有效性,释放了卫星舱内包络空间的设计余量,为分离优化设计提供参考。     

含摩擦柱铰链平面多体系统动力学的建模和数值方法

以含摩擦柱铰链平面多体系统为研究对象,建立其动力学方程并给出相应的数值计算方法。首先,建立了含摩擦转动柱铰链的力学模型。在此基础上,应用第一类Lagrange 方程给出了该类系统的动力学方程,将Lagrange乘子与柱铰链的法向约束力建立了对应关系,并给出了柱铰链摩擦力的广义力。由于摩擦力的存在,使得该方程是关于Lagrange 乘子的分段连续的非线性代数方程组,该文对此采用混合算法:对于连续段(物体相对转动的角速度不为零时),采用拟牛顿算法和龙格-库塔法求解方程;在不连续点(物体相对转动的角速度为零时),通过粒子群算法(PSO)、试算法和龙格-库塔法求解方程,克服了方程在不连续处Lagrange 乘子(法向约束力)的初值不易选取的困难。最后,通过算例说明了该算法的有效性和可行性。     

Parameter calibration of corncob based on DEM

Corncob is one of the main components of corn ears. Because the mechanical properties of different parts of corncob are very different, and there is a lack of research on the simulation and calibration of corncob parameters at present, the established corn ear or corncob simulation model has low accuracy and poor reliability. In this study, the simulation tests of corncob calibration parameters are carried out based on DEM. Firstly, a modelling method of corncob is proposed to establish sample models of corncob. Then, the DEM simulation parameters that restitution coefficient, static friction coefficient, and rolling friction coefficient of “particle–particle” and “particle-geometry”, and Poisson’s ratio of particle are determined by the Plackett-Burman test and Box-Behnken test. Next, the simulated bending test of corncob is carried out using the calibrated parameters. Finally, by comparing the physical and simulated bending test results, it shows the anti-destructive forces of corncob are 204.52 N and 197.3 N, respectively, with a relative error of 3.53%. This study verifies the reliability of parameter calibration for the discrete element model of corncob and provides a new method for establishing simulation models of corn ear and other materials.