大范围运动刚体-柔性梁刚柔耦合动力学分析

对自由大范围运动情况下刚体-柔性梁系统的刚柔耦合动力学特性进行了研究.考虑系统作平面大范围运动及柔性梁的纵向和横向变形,在纵向变形位移中计及横向弯曲引起的轴向缩短,即耦合变形项.采用假设模态法对柔性梁进行离散,运用拉格朗日方程推导出系统刚柔耦合动力学方程.分大范围运动为转动、平动,平面运动进行了动力学仿真,重点探讨了大范围平动下的刚体-柔性梁系统的刚柔耦合动力学特性.首先研究了系统在外界激励作用下的耦合动力学,其次分析了已知大范围平动对柔性梁小变形运动的影响.结果表明:零次近似模型不能反映大范围平动和柔性梁小变形运动之间的耦合作用;在不同的大范围平动加速度下,柔性梁中既可存在动力刚化效应,也可存在动力柔化效应.     

柔性梁的刚-柔耦合动力学特性研究

该文研究在大范围运动是自由的情况下柔性梁的刚－柔耦合动力学特征，从连续介质力学理论出发，在纵向变形位移中计及了耦合变形量，用Jourdain速度变分原理导出了柔性梁的刚－柔耦合动力学方程，用频谱分析方法对带中心刚体的悬臂梁进行动力学分析表明，柔性梁的系统一阶固有频率低于把梁视作刚体的系统固有频率wr，频率的差异随着wr，增大而增加，在初始条件一定的情况下，系统的二阶固有频率随着wr增大而增高，揭示了大范围运动和变形运动的相互耦合的特征。     

热载荷作用下大变形柔性梁刚柔耦合动力学分析

从非线性应变-位移关系式出发,用虚功原理建立了热载荷作用的柔性梁的热传导方程和旋转刚体-梁系统的刚-柔耦合动力学方程.由于考虑了刚度阵的高次变形项,适用于大变形问题.对温度、弹性变形和刚体运动变量联合求解.研究了热流引起的温度梯度对弹性变形和刚体转动的影响,以及在大变形情况下的几何非线性效应.     

大变形刚-柔耦合系统仿真和实验研究

通过气浮台和梁系统的刚-柔耦合动力学实验研究完备的几何非线性模型和一次近似模型在大变形情况下的适用性.首先从Green应变与位移的非线性关系式出发,用绝对节点坐标法建立了弹性梁的完备的几何非线性动力学模型,并考虑结构阻尼建立了气浮台和梁系统的刚-柔耦合动力学方程,然后利用非接触式的运动测量仪和应变仪测量特征点的速度、角速度和应变,通过理论和实验结果的数值对比验证了几何非线性动力学模型的正确性,在此基础上进一步分析基于小变形的一次近似模型的适用性.     

计及应力刚化效应的空间大运动曲梁动力学建模与分析

从连续介质力学非线性位移-应变关系出发,导出计入应力刚化效应的空间柔性梁变形能表达式。利用浮动框架有限元方法和哈密顿变分原理推导了满足小变形假设的空间曲梁的一般运动动力学方程,并利用模态缩减法对动力学方程进行了维数降阶。所推导的动力学方程可用于高速旋转一般运动空间柔性曲梁动力学问题的求解。通过数值仿真讨论了应力刚化效应对大范围运动小变形空间柔性曲梁动力学特性的影响,并与ADAMS软件和ABAQUS软件的仿真结果进行了对比,指出了ADAMS软件在高速旋转柔性多体系统数值计算方面的一些缺陷。所提出的计及应力刚化效应的空间曲梁动力学建模方法为高速旋转一般运动柔性多体系统动力学建模和分析提供了参考。     

柔性梁含摩擦斜碰撞的刚体-弹簧-质点混合模型研究

为精确快速地预测柔性梁因斜碰撞导致的复杂瞬态动力响应,提出了一种可同时计及局部接触区法向接触柔度、切向接触柔度以及柔性梁整体结构柔度的混合分析模型(HAM)。基于有限段法的思想,将柔性梁的整体位移场离散为弹簧-阻尼-刚体系统,局部接触区的法向双线性压缩-恢复以及切向摩擦变形过程则用含有能量恢复系数的弹塑性弹簧-质点系统进行描述。依据HAM模型,导出了斜碰撞系统在不同接触状态下的分段连续动力学方程。给出了法向压缩-恢复状态和切向黏-滑运动状态的切换准则,并运用事件驱动法对数值算例进行了求解。通过比较HAM模型解、实验数据以及商业有限元解,表明该模型能准确预测接触力的时间历程并描述反复切换的黏-滑(反向)运动模式,验证了HAM模型的可行性。     

作大范围平动弹性梁的动力学性质

本文利用初始构形，中间构形和现时构形三种构形，给出了作大范围平动弹性结构的运动学描述方法，建立了作大范围平动弹性梁的刚－柔耦合动力学控制方程。利用Melnikov方法和数值仿真技术，讨论了作大范围平动弹性梁的全局分岔和混沌性质，通过分析表明，当大范围平动超过某一临界速度时，它对弹性结构动力学性质的影响有着决定性的作用。本文的研究将有利于柔性多体系统的刚－柔耦合动力学建模理论的发展。     

改进EFG法用于旋转梁的刚柔耦合动力学研究

采用全域插值广义移动最小二乘(IGMLS)的改进无网格伽辽金(EFG)法,对旋转中心刚体-柔性梁系统的刚柔耦合动力学特性进行研究。利用考虑了柔性梁横向变形引起的非线性耦合项的一次近似耦合模型,根据Hamilton原理和EFG离散方法得到刚柔耦合系统的无网格动力学离散方程。在大范围运动未知的情况下,采用数值方法对刚柔耦合系统进行动力响应的仿真计算,并对EFG法的主要影响因素进行了讨论分析。通过与有限元法的数值计算结果对比,验证EFG法用于刚柔耦合系统动力学研究的有效性及可行性,并为无网格法用于更复杂的柔性多体动力学的研究提供了理论依据。     

低轨道下运行的卫星-太阳帆板系统的刚-柔-热耦合动力学建模

传统地考虑热效应的卫星-太阳帆板动力学模型只考虑太阳直接辐射热流的影响,仅适用于高轨道运行的航天器。以低轨道下运行的卫星-太阳帆板系统为研究对象,提出了一种通用的分析其在宇宙空间各种热流作用下刚-柔-热耦合动力学特性的建模方法。考虑太阳帆板热变形、卫星的姿态运动和太阳帆板受到的各种辐射的热流密度之间的耦合关系,分别给出了太阳直接辐射热流、地球红外辐射热流以及地球反照辐射热流的计算公式。将系统视为中心刚体-悬臂梁模型,首先建立了悬臂梁的热传导方程,然后通过引入考虑热应变的应力-应变关系,用虚功原理建立了卫星-太阳帆板多体系统的考虑热效应的动力学方程,对热传导方程和动力学方程联立求解。对低轨道下运行的卫星-太阳帆板系统进行了数值仿真分析,分析了考虑地球红外辐射和地球反照辐射热流对热振动的影响,以及考虑刚-柔-热耦合效应对系统动力学特性的影响,并给出了系统热振动稳定时特征参数的范围。     

大型水平轴风力发电机桨叶稳定性研究

大型水平轴风力发电机桨叶为流-刚-柔耦合的周期时变多体系统。本文暂未考虑风载荷,分析了重力载荷和桨叶预锥角、转速等因素的变化对稳定性的影响。力学建模中,考虑了桨叶挥舞、摆振、扭转和轴向运动以及根部铰的挥舞、摆振和变矩等刚体运动。利用有限元法形成5节点18自由度的刚-柔混合梁单元模型,应用Hamilton原理建立桨叶动力学方程,求得对应的摄动方程,采用Newmark隐式积分方法求解。根据Floquet理论判断运动稳定性,计算了相关转换矩阵的特征值。结果表明预锥角对桨叶运动稳定性影响不容忽视。在通常的工况下,桨叶能够稳定地运转。     

支承运动情况下旋转梁的刚-柔耦合振动分析

利用哈密顿原理建立了支承运动情况下旋转梁的刚-柔耦合振动非线性动力学方程组及边界条件。根据假设模态法，利用边界条件以及模态函数的性质，得到一组模态坐标与刚性角位移耦合时变系数常微分方程，运用数值方法比较了非耦合和耦合时刚性角位移的结果，计算了梁的动力响应并分析了模态截断的影响，最后运用梁端部弹性振动的相轨迹分析了该时变系统的稳定性。     

无网格法在中心刚体-旋转柔性梁系统动力学分析中的应用EI北大核心CSCD

将无网格点插值法、径向基点插值法、光滑节点插值法用于中心刚体-旋转柔性梁的动力学分析。基于浮动坐标系方法,考虑梁的纵向拉伸变形和横向弯曲变形,并计入横向弯曲变形引起的纵向缩短,即非线性耦合项,运用第二类Lagrange方程推导得到作大范围运动的中心刚体-旋转柔性梁系统的动力学方程。将无网格法的仿真结果与有限元法和假设模态法进行比较分析,表明其作为一种柔性体离散方法在中心刚体-旋转柔性梁的刚柔耦合多体系统动力学的研究中具有可推广性。     

轮式悬架移动2连杆柔性机械手动力学研究与仿真

对轮式悬架2连杆柔性移动机械手(平面)进行了系统的动力学研究.该轮式移动机械手由带有弹性-阻尼悬架系统的移动载体和柔性机械手所组成,并假定移动载体以恒速通过不规则路面.采用经典瑞利-里兹(Rayleigh-Ritz)法和浮动坐标法描述机械手弹性变形与参考运动间的动力学耦合问题,综合利用拉格朗日原理和牛顿-欧拉方程并在笛卡尔坐标系下 ,以矩阵、矢量简洁的形式构建了该移动柔性机械手系统的完整动力学模型.最后采用数值的方法给出了该动力学模型正解的仿真结果.通过与刚体模型、刚柔混合模型仿真结果的比较,证实了该柔体系统存在动力学耦合现象.     

覆盖增强主动约束层阻尼的旋转轴向FGM梁的热抑振研究EI北大核心CSCD

针对空间柔性机械臂容易发生热致振动的问题,以中心刚体-旋转梁模型为研究对象,在柔性梁表面部分覆盖增强主动约束层阻尼,研究了系统受热载荷冲击作用下的振动控制问题。假设基梁为适用于温度场的功能梯度材料(Functionally Graded Materials,FGM)梁,且材料特性沿轴向梯度分布。基于刚-柔耦合建模理论对温度场中的旋转FGM梁进行动力学建模,采用数值分析方法研究了增强主动约束层阻尼贴片位置/覆盖率、温度、结构宽度以及中心刚体半径等参数对结构末端变形的影响,经过对比找到了对结构振动影响较大的几个因素,包括贴片位置、贴片覆盖率以及结构宽度,可根据研究结果对结构进行优化,从而达到振动抑制的目的。     

分布参数柔性航天器的变结构控制

该文基于Hamilton变分原理,采用Timoshenko梁理论,对带有柔性附件的航天器建立了中心刚体-柔性梁动力学模型。利用对柔性梁端部边界限制所设计的控制器,实现了系统的渐近稳定设计。该文给出了数值仿真结果,并分析讨论了航天器刚体角位移及柔性梁末端挠度的动力学变化规律。该文可为柔性航天器的动力学控制提供鲁棒性强的变结构控制方法。     

黏弹性轴向运动变张力梁非线性动力学

在黏弹性轴向运动梁横向参数振动的非线性动力学行为研究中,首次计入因速度变化引起的、沿梁的径向变化的、轴向变张力的影响。给出描述变张力轴向运动梁横向非线性振动的偏微分—积分控制方程。基于微分求积法给出轴向运动梁横向非线性参数振动的数值解,通过观察梁中点的位移、速度随时间变化的历程,识别轴向运动系统的非线性动力学行为。同时,通过从数值解中提取的相图、Poincaré映射图和频谱分析,考察轴向运动梁横向振动的分岔与混沌特性,揭示了工程应用中的非线性轴向运动系统的混沌动力学行为。     

温度场中的柔性梁系统动力学建模

研究温度场下带集中质量的柔性梁系统的动力学问题。考虑几何非线性，在纵向变形与轴向伸长的关系式中计及了与横向变形有关的二次耦合项。考虑温度变化对系统动力学性态的影响，在本构关系式中计及了热应变。用假设模态法对各柔性梁进行离散，从虚功原理出发，根据各柔性梁之间的运动学约束关系，建立了带集中质量的柔性梁系统的动力学方程。仿真结果表明．即使在转速较低的情况下，随着集中质量的增大和温度的急剧变化，纵向变形的二次耦合项的影响不容忽视，此外，温度的变化还引起轴向变形和轴向约束力高频振荡。     

大型水平轴风力发电机浆叶稳定性研究

大型水平轴风力发电机桨叶为流－刚－柔耦合的周期时变多体系统。本文暂未考虑风载荷，分析了重力载荷和桨叶预锥角、转速等因素的变化对稳定性的影响。力学建模中，考虑了桨叶挥舞、摆振、扭转和轴向运动以及根部铰的挥舞、摆振和变矩等刚体运动。利用有限元法形成5节点18自由度的刚－柔混合梁单元模型，应用Hamilton原理建立桨叶动力学方程，求得对应的摄动方程，采用Newmark隐式积分方法求解。根据Floquet理论判断运动稳定性，计算了相关转换矩阵的特征值。结果表明预锥角对桨叶运动稳定性影响不容忽视。在通常的工况下，桨叶能够 稳定地运转。     

几何非线性空间梁的动力学建模与实验研究

建立了大变形细长空间梁的几何非线性动力学模型,并通过动力学实验验证建模理论的正确性。首先用曲梁中线上任意一点的3个绝对位置坐标和横截面的3个姿态角描述横截面的位置和姿态,建立了应变和曲率与位置坐标、姿态角的关系,在此基础上基于中线切线与横截面法线重合的假设,对节点广义坐标进行缩减,简化了动力学模型。用虚功原理建立了大变形细长空间梁的动力学方程,将该方法的计算时间与现有大型工程软件(LS-DYNA)进行比较,验证了方法的有效性。引入运动学约束方程,建立了气浮台和柔性空间梁系统的多体系统动力学方程。在大变形情况下,开展了气浮台和柔性空间梁系统的刚-柔耦合动力学实验,验证了几何非线性空间梁动力学模型的准确性。     

一种基于应变插值大变形梁单元的刚-柔耦合动力学分析

柔性多体系统动力学中的“动力刚化”现象起因于变形间的耦合。一次近似模型成功地解决了小变形情况下的刚柔耦合建模问题,但在大变形情况下则需要考虑更多的耦合效应。本文选取表征梁弯曲应变的曲率和轴向应变作为单元参数进行离散;在大变形大转动基础上得到了单元两端节点运动学参数的递推关系,构造出了能够自动计及“动力刚化项”且适用于大变形刚柔耦合动力学分析的平面梁单元。最后采用本文所提应变插值单元求解了包含大变形和刚柔耦合动力学柔性梁的数值算例,验证了文中算法的正确性和有效性。