基于滚轮导轨接触模型的高速重载运动机构振动与疲劳分析

通过赫兹接触理论对滚轮导轨系统建立接触力学模型,推导接触刚度、强度的计算公式,并分析滚轮、轴承的总接触刚度。根据接触刚度模型、应用拉格朗日方程建立高速重载运动机构动力学模型,得到机构的自由振动微分方程,从而计算出机构的各阶固有频率。     

粗糙表面基于G-W接触的三维瞬态热结构耦合

工程表面是粗糙的,其对磨损有较大影响.为了研究磨损过程的热动力学,文中基于G-W (Greenwood-Williamson)接触模型,将两个粗糙表面简化为一规则形状微凸体与一理想平面,分析在移动热源作用下接触面的边界条件,着重考虑摩擦滑动过程中两物体的弹性变形以及摩擦接触温度与接触区域应力的耦合问题,利用热-结构顺序耦合建立三维瞬态有限元计算模型.从而揭示粗糙表面滑动摩擦副的温度和热应力分布规律,为进一步研究热-机械失效问题及磨损机理奠定理论基础.     

考虑摩擦因素的两圆柱体表面接触承载能力的分形模型研究

为了建立更为准确的两圆柱表面接触承载能力分析的分形接触模型,以M-B模型为基础,利用存在摩擦时的弹塑性变形临界接触面积的计算理论,并结合前期获得的两圆柱体接触面积分布公式,推导考虑摩擦因素的圆柱体表面接触承载能力的分形模型。通过Matlab仿真,获得模型中主要参数对分形接触模型影响的预测分析,结果表明:减小摩擦因数,降低粗糙度幅值以及提高材料的特性参数,有利于提高接触承载能力,并改善接触面间的力学特性;分形维数对接触承载能力的影响,不是一个简单线性关系,而是存在一个分形维数的最优值。该模型的研究为后续进行齿轮等相关产品的接触承载分析提供新的理论参考。     

考虑接触运动的机器人协调操作的研究

在接触运动方程的基础上 ,应用旋量理论和微分几何等新概念、新方法 ,建立指端与被操作物体间具有接触相对运动的空间软指刚性冗余度机器人协调操作的动力学模型并进行了最小关节力矩的轨迹规划 ;然后通过仿真计算与硬点接触模型进行了比较分析 ,仿真结果表明 ,系统模型更加适用于低速、小位移的精细操作     

基于约束函数法的热-力耦合分析

对高速问题中存在的热-力耦合现象建立热-力耦合模型,提出系统的动力学平衡方程和热力学平衡方程.对系统中物体间的接触条件进行分析,得到物体间接触条件的数学表达式,在此基础上,用约束函数表示接触约束条件.应用变分原理对约束函数进行变分,与系统平衡方程组成非线性方程组进行求解.文中最后给出一个应用约束函数法解决热-力耦合问题的实例.结果表明该方法收敛性好,算法稳定,计算结果与实际相符.     

真实粗糙表面接触模型的研究

真实工程表面并不是完全光滑的。当两物体相互接触时 ,真实表面实际上是微凸体间的接触。分析真实粗糙表面间的接触对研究摩擦、磨损和润滑起着非常关键的作用。合理地描述润滑状态和摩擦热边界条件也取决于对真实接触状态的求解。本文从 3个方面研究了粗糙表面接触计算模型的主要构成 :粗糙表面轮廓的描述、确定接触压力和表面位移之间关系的计算公式以及求解几何非线性接触问题的方法。最后给出了算例     

粘弹性接触层在定子表面的行波超声电动机接触模型

针对摩擦材料粘贴在定子表面的设计问题,假设转子为刚性体,定子表面摩擦材料为粘弹性材料,提出一种新的行波型超声电动机粘弹性接触模型。在建模中,考虑接触层惯性的影响,引入定子接触层的切向和法向等效质量的概念,并修改接触区域的边界条件。应用牛顿力学定律,推导出接触界面的驱动方程。该模型不仅可以模拟分析定子和转子接触区的法向压力和切向速度分布,模拟计算超声电动机的负载特性和传动效率,而且还可以研究定子和转子接触界面参数对超声电动机输出特性的影响。基于所建立的接触模型,利用Matlab方法,模拟分析一种行波超声电动机的负载特性,并与试验结果进行了比较。结果表明,数值计算的电动机负载特性与试验结果基本一致,证实驱动模型的合理性。     

两圆柱体结合面的法向接触刚度分形模型

法向接触刚度是影响接触体动力学性能的重要参数.法向接触刚度的计算主要有传统方法的Hertz接触理论和现代微观理论的法向接触刚度分形模型两种方法.为了准确地计算两圆柱体结合面的法向接触刚度,在前期研究成果的基础上,将法向接触刚度分形模型进行合理的扩充,建立两圆柱体结合面的法向接触刚度模型,该模型能正确地反映分形维数、表面粗糙度幅值、材料特性参数和圆柱体半径等参数对法向接触刚度的影响.由模型的仿真结果表明,随着分形维数、材料的特性参数、圆柱体半径的增加,表面粗糙度幅值参数的减小,法向接触刚度增加.另外,两圆柱内接触的法向刚度大于外接触时的法向接触刚度.该模型的建立为后续进行齿轮或圆柱轴承的法向接触刚度计算奠定了基础,对接触动力学研究有了新的理论补充.     

基于JKR模型的粗糙圆柱表面线黏着接触分析*

利用粗糙平面接触模型,假定表面单个微凸体的接触采用JKR黏着接触模型,同时考虑圆柱体表面的整体变形,建立了粗糙圆柱表面线黏着接触模型,推导出表面等效压力分布方程。把压力方程量纲一化,采用修正Newton-Raphson法对方程进行迭代求解,计算出粗糙圆柱表面存在表面力作用下的等效压力分布曲线。结果表明外载荷不小于零时,接触中心压力为正,微凸体被压缩;而接触边缘处压力为负,微凸体被拉伸,表明黏着区域主要分布在接触边缘。同时计算出接触半宽随外载荷的变化曲线,当外载荷为拉伸力并大于某一临界值时,表面分开。并且与经典的接触模型进行了对比,发现低载时模型之间的差别较大,而载荷比较大时趋于一致。     

曲线钢轨初始波磨形成的机理分析

利用数值方法分析钢轨离散支撑引发曲线钢轨初始波浪形磨损形成的机理.建立车辆轨道耦合动力学模型、轮轨滚动接触理论模型和轮轨界面材料摩擦磨损模型为一体的钢轨磨耗型波浪形磨损计算模型.考虑半个车辆模型和有限计算长度的轨道模型,利用Hertz非线性接触弹簧和沈志云-Hydrick-Elkins非线性蠕滑理论耦合车辆和轨道的计算模型来计算轮轨的法向载荷和切向载荷.通过车辆过曲线动力学分析,确定轮轨的瞬时接触位置、法向载荷、蠕滑率等.根据修改的Kalker三维滚动接触理论计算轮轨滚动接触力学行为,再利用轮轨材料摩擦磨损模型计算钢轨的磨损量.对曲线两端的缓和曲线和圆曲线的初始波磨形成过程作详细分析,并对波动频率也作了调查.数值结果显示,同一个转向架4个车轮引起的磨损波长和波深是不同的;不同曲线位置初始波磨的波深和波长也有区别;波磨的频率和轮轨接触振动密切相关;波磨的频率不仅包含轨枕的通过频率,也包含轨道被激发的更高振动频率.     

基于路面随机激励的8自由度整车动力学仿真

建立包括6个垂直跳动和2个转动的整车8自由度动力学模型,应用拉格朗日原理建立各自由度动力学方程,采用振型叠加法进行求解.针对一整车模型实例,以随机输入模拟路面激励,应用Fortran语言编制程序进行动力学仿真,计算分析了整车的8阶自振特性以及各个自由度的动力特性,通过位移响应曲线评价了汽车运动时的平顺性.     

浮筏隔振系统的功率流研究

利用功率流进行浮筏隔振系统研究。建立柔性基础上的多支承隔振系统动力学模型,给出系统动态特性结构化分析方法,推导耦合系统动态传递方程及功率流表达式。结合工程实际机组隔振系统功率流的数值计算结果,着重探讨隔振器安装位置、刚度及基础弹性对隔振效果影响。     

直齿圆柱齿轮传动系统的振动分析

研究了由齿轮、轴和轴承所组成的齿轮传动系统的扭转振动和横向振动,建立了该系统的振动数学模型和运动方程式,用模态分析法和状态空间法相结合的方法求解了该系统的多自由度时变非线性微分方程,求出了系统的动态响应、齿轮动载系数和振动加速度均方根值,为系统的动态分析做好了理论准备。     

主动磁悬浮轴承-转子系统的非线性动力学研究

研究了8磁极主动磁悬浮轴承-转子系统的非线性动力学特性,建立了系统的非线性动力学模型,并通过Taylor公式对其进行非线性展开,用数值方法对得到的系统空间状态方程进行分析,通过Matlab软件编程,借助Poincare影射和Lyapunov指数对系统的运动形态进行分析,结果发现在一定参数条件下,系统会产生分叉和混沌现象,并结合试验分析了系统在不同参数条件下的运动状态.     

提高多级齿轮传动系统动态性能的优化设计

提出了提高多级斜齿圆柱齿轮传动系统动态性能优化设计方法。重点论述了系统动力学模型的建立,运动微分方程的求解方法和优化数学模型。由于系统动力学模型考虑了多对齿轮的转动惯量、时变啮合刚度、误差、阻尼以及轴的转动惯量和刚度,因此,所建立的微分方程式是多自由度时变方程组,对此,本文采用模态分析法与状态空间法相结合的方法进行求解。在此基础上,建立了提高齿轮传动系统动态性能优化设计的数学模型。实例计算证明,动态性能优化设计后的齿轮传动系统,其动态性能有明显的改善。     

计及环境特征的柔性多体系统动力学理论

对柔性体非线性变形场进行了描述,将柔性体变形场表达为直至变形广义坐标的二阶小量的形式,基于Kane方程建立了任意形状柔性体动力学方程。采用Huston的低序体阵列描述多体系统的拓扑结构,以此为基础进行系统的动力学分析,同时依据Kane方程建立了一般柔性多体系统的动力学方程。在建立一般柔性多体系统动力学方程的基础上,研究了计及环境特征的柔性多体系统,将环境特征作为外部约束引入柔性多体系统,建立了带有约束的一般柔性多体系统动力学方程。     

轮式装载机工作机构动力学分析的有限元建模

运用等效单元思想,结合有限元方法,推导出轮式装载机工作机构的等效伪质量矩阵和等效力系表达式,并根据动力学普遍方程,建立系统的动力学非线性微分方程,求解采用降阶的四阶Runge-Kutta方法.建模过程简单,提高了建模的效率.所建方程反映了系统各个构件的运动关系,为轮式装载机工作机构的动力学分析提供了一种有效的建模方法.     

某高速履带式装甲车悬挂系统动力学仿真

基于多刚体动力学理论建立了高速履带车辆悬挂系统与地面作用的动力学模型,基于贝克理论建立路面,研究了高速履带车辆在工况为爬行60°坡时悬挂系统的动力学响应问题,分析了车辆爬60°坡在2种不同路面上左、右履带的平均转矩,并且和计算求得理论转矩进行比较,分析得出仿真数据和理论数据误差率在5%内,模型特别考虑了履带对履带车辆动力学响应的影响.     

多支承转子系统弯曲振动分析方法研究

提出一种描述多支承转子系统弯曲振动的数学模型;应用二分法和LU分解法综合计算弯曲自由振动模态,应用Newmark时间差分法和空间五点差分法综合求解弯曲强迫振动动力响应;针对300 MW汽轮机组模型,进行模态分析以及多种激励下的位移响应计算。模态分析、响应计算结果与现场实测数据较为吻合,说明了所建立的动力学模型与采用的计算方法的有效性。     

Identification of the nonlinear excitation force acting on a bowed string using the dynamical responses at remote locations

For achieving realistic numerical simulations of bowed string instruments, based on physical modeling, a good understanding of the actual friction interaction phenomena is of great importance. Most work published in the field including our own has assumed that bow/string frictional forces behave according to the classical Coulomb stick-slip model, with an empirical velocity-dependent sliding friction coefficient. Indeed, the basic self-excited string motions (such as the Helmholtz regime) are well captured using such friction model. However, recent work has shown that the tribological behavior of the bow/string rosin interface is rather complex, therefore the basic velocity-dependent Coulomb model may be an over-simplistic representation of the friction force. More specifically, it was suggested that a more accurate model of the interaction force can be achieved by coupling the system dynamical equations with a thermal model which encapsulates the complex interface phenomena. In spite of the interesting work performed by Askenfelt [32], a direct measurement of the actual dynamical friction forces without disturbing the string motion is quite difficult. Therefore, in this work we develop a modal-based identification technique making use of inverse methods and optimization techniques, which enables the identification of the interface force, as well as the string self-excited motion, from the dynamical reactions measured at the string end supports. The method gives convincing results using simulated data originated from nonlinear computations of a bowed string. Furthermore, in cases where the force identifications are very sensitive to errors in the transfer function modal parameters, we suggest a method to improve the modal frequencies used for the identifications. Preliminary experimental results obtained using a basic bowing device, by which the string is excited with the stick of the bow, are then presented. Our identifications, from the two dynamical string reactions, are consistent as attested by the comparison of the two available versions of the string dynamical motion and of the friction force. Furthermore, the method seems adequate to investigate the interface force for the bowed string.