柔性机械臂的非线性振动分析

建立了由两个柔性杆和一个柔性饺链组成的柔性机械臂的动力学方程,利用非线性振动的平均法进行了摄动分析,求得了系统在主共振和多重共振下的定常解,发现系统在第二阶主共振和1∶2 内共振的情况下有内共振阈值和双拟饱和现象存在,增大低阶模态阻尼是抑制内共振、防止产生大幅低频振动的有效手段。     

面内弹性绳系卫星系统的内共振

研究了绳系卫星系统因系绳弹性和俯仰运动相耦合而引起的非线性内共振问题。首先应用Kane方程建立了面内椭圆轨道两体弹性绳系卫星系统在状态保持阶段的非线性动力学模型,分析了可能发生的内共振条件。然后,基于多尺度方法获得内共振下的调制方程及其Jacobi椭圆函数表示的解析解。结果表明,轨道摄动因素不会影响内共振,系统参数引起的内共振耦合振动会在两个模态之间相互传递,其调制周期取决于初始模态幅值。在一定的调谐参数上,模态振幅出现饱和现象。     

非线性动力吸振器的动力学分析

运用非线性振动的模态方法对非线性动力吸振器进行了动力学分析,研究了该类吸振器的反共振工作点、工作点的稳定性以及阻尼对反共振工作点的影响.     

空间柔性机械臂弯扭耦合振动的主动控制研究

由于太空机械臂的结构形式和末端操作对象的影响,空间多连杆机械臂系统存在着强烈的刚柔耦合的非线性特性。针对伺服驱动的空间柔性机械臂系统,基于经典振动理论,提出柔性臂弹性弯曲、扭转的变形假设,然后采用假设模态法和Lagrange方程得到系统的动力学方程。为了抑制系统在大范围运动过程中的弯曲、扭转弹性振动,提出了基于Lyapunov稳定性的模糊自适应速度反馈控制策略。数值仿真结果表明:空间机械臂系统在转动过程中必然会激起柔性臂的弹性振动;采用提出的控制策略利用压电剪切致动器和压电扭转致动器不仅可以抑制柔性臂的弯曲和扭转振动,还可以降低伺服电机的驱动扭矩,提高柔性机械臂系统的末端定位精度。     

横向补给系统高架索在一重和双重内共振下的面内振动

考虑集中质量在高架索上的位置的影响,建立了横向补给高架索系统的面内振动的非线性动力学方程。利用Galerkin方法对高架索偏微分模型进行离散,得到了系统面内振动的直至3阶的标准动力学控制方程。分析了补给过程中,集中质量位置的变化对高架索系统的面内振动的前3阶模态频率的影响,系统的模态频率呈现类似滞回非线性的特征。同时还利用数值方法对1：1：2双重内共振及1：2内共振情况下系统的参数激励振动的非线性动力学行为进行了分析,得到了系统的前3阶模态振动的时间历程曲线和运动相图。研究结果表明,在高架索系统发生内共振时,系统面内振动以前2阶模态振动为主,且存在复杂的倍周期运动现象;而对于1：2内共振情况,只有第1阶模态振动的幅值较大。     

基于刚柔耦合的液压挖掘机机械臂非线性动力学研究

为准确描述液压挖掘机机械臂动动力学模型,根据柔性多体动力学理论,采用模态函数描述臂架的弹性变形,利用LAGRANGE定理和虚功原理建立挖掘机臂架系统刚柔耦合的非线性动力学方程。对已建立的动力学方程利用MATLAB进行数值求解, 运用仿真软件ADAMS及NASTRAN建立液压挖掘机机械臂刚柔耦合模型并进行仿真分析,通过对比二者结果表明动力学方程建模方法的正确性。运用数值求解的方法进行模态计算和动力学响应分析,求解相关几何参数的一阶固有频率灵敏度,分析了影响机械臂动力学特性的主要模态参数,为进一步研究其结构优化及运动精度控制提供依据。     

主被动电磁式动力吸振器及其在桁架振动控制中的应用

航天器中使用的轻质柔性桁架结构受到外扰时会产生振动,使安装其上的有效载荷不能正常工作。为此,提出了一种基于主被动电磁式动力吸振器的柔性结构振动控制方法。首先设计了动铁式结构的主被动电磁式吸振器,并对吸振器的磁场分布和膜片弹簧进行了有限元分析,其次研制了吸振器的原理样机,通过性能测试验证了设计的合理性。最后利用所研制的动力吸振器对三棱柱桁架结构进行了振动控制实验,实验中主动控制算法采用ADC控制。实验结果显示：吸振器对桁架一阶共振模态的被动抑振效果达50.83%,采用主动控制后,吸振器对共振和非共振模态的振动控制效果分别达到96.30%和81.40%。     

空间RRRP机械臂的刚柔耦合非线性动力学特性研究

摘 要 机械臂的刚柔耦合非线性动力学特性分析是实现其运动精度控制的基础。针对某航天飞行器装载的RRRP型空间机械臂,采用模态组合函数描述各臂的弹性变形,将转动副角位移、移动幅线位移以及各臂的模态坐标作为广义自由度,利用Lagrange定理建立了空间RRRP机械臂的非线性动力学方程,采用4-5阶变步长 Longgekuta法,对非线性微分方程组进行了数值求解。研究了机械臂刚柔耦合的非线性特性及结构参数变化对末端振动的影响,为进一步实现其结构优化和精度控制奠定基础。     

柔性机械臂非线性动力学模型及控制的研究

针对轴向不伸长的Ｅｕｌｅｒ－Ｂｅｒｎｏｕｌｉ梁，采用假设模态法，根据能量一致性原理，利用变形约束方程和小变形假设条件，对带有末端荷载的柔性机械臂，推导出考虑动力刚化（ＤｙｎｍａｉｃＳｔｉｆ－ｅｎｉｎｇ）影响的柔性机械臂有限维一致线性化动力学方程。为实现柔性机械臂关节转角运动轨迹的精确跟踪，采用基于输入输出部分线性化的控制方法设计非线性控制器，对该非线性动力学模型进行解耦并产生理想关节转角运动轨迹的控制输入。采用线性系统最优状态反馈控制规律设计弹性模态稳态器抑制弹性体的振动。数值仿真验证了该控制策略的有效性。     

柔性机械臂建模及动力学特性分析

以仿人手臂的三旋转关节刚柔耦合机械臂为研究对象,对柔性部分建立理论模型并分析其动态特性。为了提高模型精确度,利用有限段方法分析研究不同边界条件下柔性臂各阶固有频率及振型函数,通过假设模态法和汉密尔顿原理,考虑重力,建立机械臂柔性部分动力学模型。引入角度轨迹,在Matlab中利用四阶Runge-Kutta法求解非线性时变微分方程组,获得柔性臂末端负载的残余振动。为实现柔性机械臂模型的进一步精确化和主动残余振动控制提供参考。     

柔性机械臂建模及动力学特性研究

以仿人手臂的三旋转关节刚柔耦合机械臂为研究对象,对柔性部分建立理论模型并分析其动态特性。为了提高模型精确度,利用有限段方法分析研究不同边界条件下柔性臂各阶固有频率及振型函数,通过假设模态法和汉密尔顿原理,考虑重力,建立机械臂柔性部分动力学模型。引入角度轨迹,在Matlab中利用四阶Runge-Kutta法求解非线性时变微分方程组,获得柔性臂末端负载的残余振动。为实现柔性机械臂模型的进一步精确化和主动残余振动控制提供参考。     

定轴转动与基础激励下梁的非线性动力学

采用Kane方程，建立了含耦合的几何及惯性非线性项的定轴转动与轴向基础激励联合作用下柔性梁的非线性动力学控制方程组，该方程组不仅包含二次及三次非线性项，而且体现了参数激励与外激励的联合作用。运用多尺度法，研究了匀转速，顺臂安装下悬臂梁的一阶模态主参激共振与外激励1/2次亚谐共振同时作用时梁的一阶近似稳态响应。结果表明，梁的一阶模态幅频特性将受到转速，旋转半径和激励幅值等参数变化的显著影响。     

Duffing振子激励下平板声振特性研究

针对非线性振动激励下结构声辐射问题,由变分原理导出Duffing振子激励下平板声振耦合动力学方程,由模态展开法及增量谐波平衡法导出轻流体中耦合动力学方程的近似解析解,给出多频激励下平板表面平均振速及辐射声功率表达式,研究激励力频率、非线性项对系统振动及声辐射特性影响。结果表明,Duffing振子激励下平板的声振耦合问题为含离散与连续系统的复杂动力学问题;耦合运动下Duffing振子出现二次跳跃现象与新的共振特性;平板声振特性主要由三次谐波决定。研究结果可为隔振结构的声振设计提供理论依据。     

充液管路轴向多吸振器波动特性研究

为抑制充液管路中轴向振动波传播,利用吸振器安装点处位移与轴向力连续条件,采用传递矩阵法建立充液管路带多个吸振器动力学耦合模型,与有限元计算结果对比,验证了该计算方法的正确性。计算分析了轴向波在吸振器前后的透射与反射系数,并进一步计算了吸振器周期排列时管路轴向振动带隙。研究结果表明：轴向波在吸振器共振频率全部反射,反射系数带宽随吸振器刚度与阻尼增大而变化;吸振器周期分布时,管路系统轴向振动同时存在局域共振型带隙与Bragg带隙,轴向波在局域共振型带隙内得到了有效的抑制。研究结果可为管路轴向减振、吸振器设计提供参考。     

密频近线性系统的主共振与响应饱和现象

为了探讨在系统作强迫振动的过程中非线性耦合对于密集模态相互作用的影响,在本文中考察了具有密集的线性自然频率的近线性(弱非线性)系统的主共振,通过与非线性耦合能有关的平均Lagrange函数表示非线性耦合力对模态运动的影响,提出了一种列出模态运动的调幅调相方程(调制方程)的简便方法,并在此基础上讨论了密频近线性系统出现响应饱和现象的可能性,举例说明求饱和解的步骤,论述饱和解的存在与稳定性条件,从而表明密频内共振是继2:1内共振之后又一可能实现响应饱和的途径。     

斜拉桥的多重内共振及其耦合过程研究

斜拉桥具有复杂的内共振特性,以往多是通过频率的倍数关系去研究多模态间的内共振,忽视了对耦合过程的研究。为研究其多重内共振及各模态相互耦合过程,进行了斜拉桥非线性动力学模型实验。实验观测到多重内共振及其导致的全桥大幅振动,发现当外激励频率约为长斜拉索固有频率2倍时,能激发其大幅"拍振",且两个"拍频"之和正好等于外激励频率。通过分段分析和无相移滤波研究了各模态的相互耦合过程。研究表明:斜拉桥非线性模态频率低于线性模态频率;多重内共振需经历一定时间的耦合作用方能引发斜拉桥大幅稳态振动;强迫振动、局部-混合模态耦合振动和组合内共振同时发生是单频外激励能激发斜拉索"拍振",且"拍频"之和等于外激励频率的根本原因。     

纵弯模态复合型直线超声电机定子质心振动研究

针对纵弯模态复合型直线超声电机的质心振动问题,采用等效非线性弹簧层接触理论,建立了刚性平面接触模型和定子法向运动的动力学模型,进而解出一阶纵振模态和定子质心振动的动力学方程,得出质心振动的稳态解。根据建立的模型,分析了定子质心振动对电机机械输出性能的影响;并通过MATLAB仿真计算进一步分析了预压力弹簧刚度、预压力大小等因素对定子质心振动响应的影响。最后制作样机并开展了实验研究。实验表明模型是有效的,该研究可以为直线超声电机的动力学建模和结构优化设计提供理论依据。     

基于动力吸振原理的低频多模态抑振器设计EI北大核心CSCD

为实现结构低频振动控制,基于动力吸振(dynamic vibration absorber, DVA)原理设计了一种多模态抑振器。为研究吸振器阵列与抑振器阵列的抑振效果,建立了附加动力吸振器阵列四边简支板的动力学耦合模型,验证了动力吸振器阵列的振动控制效果;提出了以橡胶板-质量块、橡胶基体-金属柱壳为主要组成结构的多模态低频抑振器,从理论上计算了其各组成结构的轴向共振模态频率,并以动力吸振器参数为基准对抑振器几何参数和材料参数进行了调整,最终通过仿真和实验验证了抑振器阵列振动控制效果。结果表明:当吸振器阵列或抑振器阵列布置位置覆盖结构主要模态下最大变形位置时即可达到最佳控制效果;吸振器阵列与抑振器阵列均有一定的振动控制效果,与吸振器与受控对象间为点接触不同,面接触放大了阻尼在振动控制中的作用,因此抑振器阵列的振动控制效果更为明显。     

负刚度吸振器对有限长弹性梁的抑振效果研究

考虑不同形式负刚度动力吸振器对有限长弹性简支梁动态响应的影响,提出并建立"弹性梁-负刚度动力吸振器"耦合系统动力学模型。基于模态叠加法,推导得到各阶模态对应幅频响应解析表达式。以弹性梁第1阶振动模态作为振动抑制目标,结合固定点理论和最大值最小化优化准则得到各类型动力吸振器的最优设计参数。以功率流作为振动控制效果的评价指标,建立"弹性梁-动力吸振器"耦合系统的导纳功率流理论模型。在此基础上,计算得到安装动力吸振器前后弹性梁的总功率流和净功率流,以及动力吸振器消耗的功率流,研究不同形式动力吸振器的振动抑制效果。最后,选择振动控制效果最显著的动力吸振器作为研究对象,针对部分主要设计参数展开研究。计算结果表明：在目标控制模态频率附近,负刚度动力吸振器对弹性梁动态响应的控制效果较好,且多个振动模态响应均被有效控制;当阻尼元件和负刚度元件同时接地对弹性梁动态响应的控制效果最佳;众多设计参数均存在最优值。     

中空轴系多模态纵向减振研究

采用阻尼动力吸振器对中空轴系纵向多阶模态进行振动控制,结合子结构综合法和传递矩阵法,建立了多个阻尼动力吸振器-轴系耦合系统的动力学模型,并进行了动力学特性分析。考虑到各阶阻尼动力吸振器间的相互影响,以极小化目标频段范围内轴系位移响应的均方值为目标函数,对各阶阻尼动力吸振器的参数进行了联合优化;针对轴系中空特点,设计了阻尼动力吸振器的具体结构形式,利用有限元仿真对理论计算进行了验证。研究表明:轴系多模态控制时,在多阶阻尼动力吸振器作用下,目标频段范围内的轴系纵向共振峰得到抑制,频响曲线趋于平缓;对多阶吸振器进行联合优化后,吸振器的吸振效果得到进一步提升;提出的多阶吸振器设计方法能为连续系统多模态振动控制提供参考。