哑铃型航天器刚-柔耦合动力学建模与仿真分析

为满足深空探测的需求,需要构建一种全新的哑铃型航天器.由于构型和质量分布的差异,传统"中心刚体+柔性附件"动力学模型将不再适用,因此必须针对该构型建立一种高效准确的动力学模型.本文基于小变形假设,利用浮动坐标法,采用多体系统动力学单向递推组集方法,建立了哑铃型航天器的刚-柔耦合动力学模型.该模型考虑了哑铃型航天器的轨道-姿态-变形之间的耦合效应,保留了全部变形高次耦合项.通过采用本文方法建立的"刚体-桁架-刚体"模型和已有的两种哑铃型航天器模型,对典型算例进行动力学仿真和比较.仿真结果表明,本文模型很好地反映了哑铃型航天器的刚-柔耦合动力学特性,末端物体的转动惯量将会影响系统的动力学响应,不能简单忽略.本研究将为哑铃型航天器的总体设计,特别是控制规律的设计,提供重要的技术支持.     

弹性薄板绕轴转动时刚-柔耦合动力学非线性分析

从连续介质力学中关于弹性薄板的变形理论出发,讨论绕轴作大范围运动的弹性薄板的动力学性质.由于在无大范围运动的情况下,弹性薄板的变形对系统的动力学性质影响很小而被忽略,而其一旦与大范围运动耦合,对系统的动力学性质产生明显的影响.根据弹性薄板的应变-位移几何非线性关系,建立了作大范围运动弹性薄板的几何非线性动力学方程,然后利用Garlerkin模态截断方法建立了该系统的离散动力学方程,仿真计算验证了理论分析的正确性,从而表明了系统的横向振动是稳定的.     

土壤碰撞问题的刚-散耦合动力学分析

本文以探测器着陆行星土壤为背景,对土壤碰撞问题进行刚-散耦合动力学建模与仿真分析研究.结合离散元方法和多体动力学方法,对半球壳装置土壤跌落问题进行耦合动力学仿真.通过与实验结果及有限元仿真结果对比,验证所采用离散元方法的有效性.分析了颗粒场中颗粒尺寸、恢复系数、静摩擦系数等参数,对碰撞中物体和颗粒场的碰撞加速度、碰撞持续时间、振动波形等动力学响应的影响.本研究将拓展对刚-散耦合动力学问题的理论认识,为探测器着陆系统的设计提供技术支持.     

多柔体系统动力学研究进展与挑战

首先回顾多体系统动力学的学科发展和学术交流情况,然后系统概述了多柔体系统动力学方程数值算法、多柔体系统接触/碰撞动力学与柔性空间结构展开动力学三个方面的研究进展及值得关注的若干问题,最后给出了开展多柔体系统动力学研究的若干建议.     

考虑几何非线性和热效应的刚柔耦合系统的频域特性研究

研究温度场中旋转刚体-梁系统的刚-柔耦合动力学特性.考虑几何非线性和热效应,从精确的应变-位移关系式出发,用虚功原理和有限单元法建立了旋转刚体-梁系统的刚-柔耦合动力学方程.由于非线性刚度阵与变形的高次项有关,将非线性刚度阵的各元素表示为广义坐标阵和常值阵的乘积.数值计算表明,该方法可避免重复积分,提高计算效率.在此基础上研究了在温度递增的情况下几何非线性对系统的刚-柔耦合动力学特性的影响,用频谱分析方法研究了系统的固有频率随中心刚体转动惯量和温度的变化.     

计及环境特征的刚-柔机械臂动力学建模方法与理论研究

基于Kane方程推导建立了在惯性参考坐标系中的刚—柔机械臂的非线性动力学模型 ,并利用假设模态的方法对方程进行离散 .在对刚—柔机械臂进行主动柔顺控制时 ,柔性机械臂要受到未确知外部环境的约束 .本文建立了计及环境特征的一般柔性多体系统动力学模型以及计及环境特征的刚—柔机械臂动力学模型 .     

基于SPH的充液刚体刚-液耦合动力学建模

本文考虑刚-液耦合效应,基于SPH方法建立充液刚体动力学模型,该动力学模型不仅适用于微幅晃动问题,还适用于大幅晃动问题.首先建立了非惯性系下液体晃动的方程,其中,边界条件采用镜像虚粒子法.通过计算各流体粒子的绝对加速度,得到粒子惯性力对刚体质心的主矢和主矩,用达朗贝尔原理计算得到向质心简化的晃动力和晃动力偶矩,并引入刚体的约束方程,建立了考虑刚-液耦合的充液刚体的动力学方程.首先对给定周期性运动的充液刚体的液面振荡进行数值仿真,验证了建模方法的有效性;然后通过对受周期性激励力作用的充液刚体的运动和液面振荡进行数值仿真,分析了不同参数下系统的刚-液耦合特性.     

基于刚-柔混合模型的300T铁水车动力学仿真

为保证300t铁水车的安全运输,采用刚-柔混合动力学模型研究了该车的动力学性能.以I-DEAS软件为柔性体仿真平台,ADAMS/Rail软件为多刚体系统仿真平台,给出了创建刚-柔混合动力学模型的技术路线,采用在系统外将所关心的对象柔性化的建模方法建立了某公司研制的特种车辆-300t铁水运输车的刚-柔混合动力学模型.基于刚-柔混合模型的动力学仿真结果表明:弹性轨道对该车运行平稳性和曲线通过性能的影响大于柔性转向架对运行平稳性和曲线通过性能的影响.因此,对这类特种车辆进行动力学仿真应采用弹性轨道.当计算规模很大无法考虑转向架的柔性效应时,仅使用弹性轨道所获得的结果也能达到相当的精度.     

考虑热效应的复合材料多体系统动力学研究

研究离心力和温度变化引起的附加弯曲变形对复合材料柔性多体系统振动特性的影响．从本构关系和非线性应变与位移关系式出发,用虚功原理和有限单元法建立了复合材料柔性梁的动力学变分方程,在此基础上建立了复合材料柔性多体系统的动力学方程．对曲柄-连杆-滑块机构的数值仿真表明,对于非对称的复合材料梁,各层弹性模量和热膨胀系数的差异会引起附加弯曲变形,从而影响系统的振动特性．     

海上横向补给系统多体动力学建模与仿真分析

海上横向补给是目前舰船补给的主要方式,通过接收船与发送船之间架设的恒张力高架索进行货物转运.本文利用多体动力学理论建立了海上横向补给系统的动力学模型.该系统由舰船、货物、滑轮以及高架索组成,对舰船、货物和滑轮采用刚体假设,对高架索采用几何精确梁理论进行建模.基于赫兹理论建立了滑轮与高架索之间的接触模型.为提升计算效率,针对恒张力索的特点提出了一种简化的力元模型,并通过与精确模型的对比验证了该简化模型的准确性.利用简化模型,对复杂海况下的补给作业进行了全过程动力学仿真,分析了船舶运动、补给距离、张紧力对转运过程的影响.结果表明在海况条件恶劣、补给距离长、张紧力过小时,无法保证转运过程安全作业.     

空间多体机械系统耦合动力学的键合图法

为提高多能域耦合空间多体系统动力学分析的效率及可靠性,提出了键合图法．从能量守恒的基本原理出发,讨论了键合图中的多通口元件MTF所具有的特性．以此为基础阐述了建立空间多体机械系统键合图模型的一般方法及其动力学原理．将运动副约束反力视做未知势源加在系统键合图模型相应的0-结处,有效地解决了微分因果关系及非线性结型结构所带来的十分困难的代数问题,推导出便于计算机自动生成的系统状态方程及运动副约束反力方程的统一公式,实现了计算机自动建模与仿真．实际算例表明了所述方法的有效性．     

含干摩擦多体系统Lagrange方程的数值算法

利用第一类Lagrange方程建立了固定约束面含干摩擦的多体系统动力学方程,将摩擦力的广义力用矩阵形式描述．利用增广法。将微分-代数方程转换成常微分方程,并用矩阵形式给出,提高了计算效率．最后用算例说明该方法的有效性．     

Transfer matrix method for linear multibody system

A new method for linear hybrid multibody system dynamics is proposed in this paper. This method, named as transfer matrix method of linear multibody system (MSTMM), expands the advantages of the traditional transfer matrix method (TMM). The concepts of augmented eigenvector and equation of motion of linear hybrid multibody system are presented at first to find the orthogonality and to analyze the responses of the hybrid multibody system using modal method. If using this method, the global dynamics equation is not needed in the study of linear hybrid multibody system dynamics. The MSTMM has a small size of matrix and higher computational speed, and can be applied to linear multi-rigid-body system dynamics, linear multi-flexible-body system dynamics and linear hybrid multibody system dynamics. This method is simple, straightforward, practical, and provides a powerful tool for the study on linear hybrid multibody system dynamics. This method can be used in the following: (1) Solve the eigenvalue problem of linear hybrid multibody systems. (2) Obtain the orthogonality of eigenvectors of linear hybrid multibody systems. (3) Realize the accurate analysis of the dynamics response of linear hybrid multibody systems. (4) Find the connected parameters between bodies used in the computation of linear hybrid multibody systems. A practical engineering system is taken as an example of linear multi-rigid-flexible-body system, the dynamics model, the transfer equations and transfer matrices of various bodies and hinges; the overall transfer equation and overall transfer matrix of the system are developed. Numerical example shows that the results of the vibration characteristics and the response of the hybrid multibody system received by MSTMM and by experiment have good agreements. These validate the proposed method.     

基于多体力学的车辆动力学控制系统仿真及优化

利用多体分析软件ADAMS建立了多自由度汽车整车多体动力学仿真模型,并进一步简化为15自由度非线性模型,结合2自由度线性模型建立PID控制策略,进行了冰面单周正弦工况下的汽车操纵稳定性仿真试验研究,采用自适应模拟退火算法与非线性序列二次规划法相结合的组合优化方法对控制系统的控制参数进行了分析和优化.结果表明,该控制方法能够大幅度提高车辆的操纵稳定性和安全性,能够适应复杂的路面和行驶工况,取得了良好的效果.     

A method for improving dynamic solutions in flexible multibody dynamics

This paper presents a method for improving dynamic solutions that are obtained from the dynamic simulation of flexible multibody systems. The mode-acceleration concept in linear structural dynamics is utilized in the proposed method for improving accuracy in the postprocessing stage. A theoretical explanation is made on why the proposed method improves the dynamic solutions in the context of the mode-acceleration method. A mode-acceleration equation for each flexible body is defined and the load term in the right hand side of the equation is represented as a combination of space-dependent and time-dependent terms so that efficient computation of dynamic solutions can be achieved. The load term is obtained from dynamic simulation of a flexible multibody system and a finite element method is used to compute dynamic solutions by quasi-static analyses. Numerical examples show the effectiveness of the proposed method.     

含有分叉的受控多体系统传递矩阵法

多体系统传递矩阵法是解决受控多体系统动力学问题的有效方法,针对含有分叉的受控多体系统动力学问题,分别建立了控制激励元件、控制反馈元件及其含有分叉的受控多体系统总体传递矩阵．实例计算了无控和受控多体系统的运动响应与牛顿欧拉方法比较,计算表明了受控多体系统传递矩阵法解决分叉控制系统运动的有效性．     

非完整约束多体系统时间离散变分积分法

基于连续Galerkin方法,给出非完整约束下多体系统时间离散的变分数值积分方法.首先对非完整多体系统Hamilton正则方程的弱形式进行时间离散,得到变分积分公式,然后讨论该积分方法对能量及约束的保持,最后以蛇板为例对该方法进行数值验证和比较.     

基于Hermite 插值的多体系统动力学离散变分方法

针对多体系统动力学数值仿真问题,研究基于Hermite插值的离散变分方法.首先对广义坐标和广义速度进行Hermite插值,结合Gauss数值积分方法,利用Hamilton原理和离散力学变分原理,建立了含已知导数信息和含未知导数信息的Hermite插值离散变分数学模型,求解得到精确度较高的动力学仿真结果.该方法可以在步长较大时精确保持约束方程,并保持系统总能量在一定范围内有界变化,适用于长时间仿真情况.     

Three-dimensional formulation of rigid-flexible multibody systems with flexible beam elements

Multibody systems generally contain solids with appreciable deformations and which decisively influence the dynamics of the system. These solids have to be modeled by means of special formulations for flexible solids. At the same time, other solids are of such a high stiffness that they may be considered rigid, which simplifies their modeling. For these reasons, for a rigid-flexible multibody system, two types of formulations coexist in the equations of the system. Among the different possibilities provided in the literature on the material, the formulation in natural coordinates and the formulation in absolute nodal coordinates are utilized in this paper to model the rigid and flexible solids, respectively. This paper contains a mixed formulation based on the possibility of sharing coordinates between a rigid solid and a flexible solid. The global mass matrix of the system is shown to be constant and, in addition, many of the constraint equations obtained upon utilizing these formulations are linear and can be eliminated.     

含摩擦滑移铰及驱动约束多刚体系统数值算法

研究了具有驱动约束及非光滑滑移铰多体系统动力学方程的建模与数值计算方法．将驱动约束视为非定常约束，非光滑滑移铰视为双边定常约束，滑移铰的摩擦模型采用库仑摩擦模型；应用第一类Lagrange方程建立系统的动力学方程，应用距离函数建立滑移铰的约束方程；将线性互补方法和Baumgarte约束稳定化方法引入，以解决滑移铰法向约束力的计算以及约束方程违约问题．最后应用曲柄摇杆机构作为算例，说明该方法的有效性．