环境对航行体上浮速度和出水姿态的影响研究

随着对海洋的开发利用不断向深远海发展,对海洋空间权利的维护也日益重要,水下航行体在其中发挥着关键的作用,水下航行体被广泛应用于海洋探测、海洋开发以及海洋防卫等领域。对水下航行体垂直上浮运动过程的研究是水下航行体深海发射技术的关键,水下航行体的出水姿态和上浮速度是航行体能否有效完成深海发射任务的重要指标。动态模拟了水下航行体在大深度条件下无动力释放的上浮运动过程,运用了重叠网格技术、动态流体固体相互作用以及流体体积多相模型的数值计算方法,研究了水下航行体在大深度无动力释放条件下的上浮运动过程及不同环境情况下航行体的上浮速度和出水姿态。首先对简易模型进行数值计算,然后将数值与理论分析进行对比,验证了该方法的有效性。通过模拟水下航行体的上浮运动过程对比了在不同海流和波浪大小环境下水下航行体的出水姿态;对比了在不同长径比下航行体的上浮速度。结果显示,海流和波浪均对航行体出水姿态角有较大影响;航行体长径比对水下航行体上浮速度有较大影响。     

波浪能发电半物理仿真试验技术研究

波浪能发电装置下海部署前评估其发电系统性能对装置的研发至关重要.目前评估方式主要有计算机仿真和实验室水池试验或者海试.计算机仿真依赖于精确的数学模型,实验室水池测试和海试耗资大,且小模型物理试验有时难以准确反映原型的实际情况.为了解决这一问题,研究一套能模拟波浪作用的半物理仿真试验平台,通过在仿真回路中接入真实的发电系统,并设计一套液压驱动系统实时复现波浪作用下浮子的运动,无需实验室水池或者海试便可实现装置下海部署前对其发电系统性能进行测试.为验证半物理仿真试验方案的可行性,以中国典型海况为例,以筏式波浪能发电装置为研究对象,设计制造出半物理仿真试验平台.在此基础上,研究液压驱动系统的跟踪性能和发电系统的性能.结果表明,所设计的液压驱动系统能很好地复现波浪作用下两筏体间的相对纵摇运动,半物理仿真试验平台的测试结果能较好地反映发电系统的性能.研究成果为模拟波浪能发电和评估其发电系统性能提供一种相对廉价又有效的试验方式.     

修正的Craig-Bampton方法在多体系统动力学建模中的应用

针对空间实验室、柔性机械臂等柔性多体系统，借助结构动力学中的Craig-Bampton模态综合方法，对其进行修改并用于描述弹性变形，将模态综合方法和多体系统建模常用的混合坐标法相结合，以适合刚体运动与弹性运动的耦合，更好地反映了系统的动力学特性。结合ADAMS、ANSYS软件，可充分利用该方法对柔性多体系统进行计算机仿真分析，进而进行优化设计等。     

一种新型仿生变胞膝关节外骨骼机器人及其多体运动尺度综合方法研究

针对人体步态周期的摆动相与承载相生物力学特征,创新性的提出一种集变胞仿生膝关节外骨骼机器人与具有“J”型轨迹特征运动副人体等效下肢为一体的人-机并联研究原型,在深入解析其变胞运动承载仿生工作机理的基础上,系统提出一种多体运动尺度综合方法。该方法首先基于多体运动学,系统构建人-机并联运动学模型;其次针对该外骨骼对其穿戴位置滑移与下肢个体差异的有效几何包容,提出一种新型运动学综合性能评价指标——仿生灵巧包容度;再次将多体运动尺度综合问题归结为一类多目标优化问题;最后计及不同人群的步态差异性,采用压缩粒子群算法,深入开展膝关节外骨骼系统多体运动尺度综合数值仿真。通过仿真数据对比与参数敏感性分析,佐证该膝关节外骨骼机器人所具有的变胞仿生运动学综合性能,以及多体运动尺度综合方法的合理性与有效性,为后续研究原型承载有效性的相关研究,提供理论基础。     

多自由度机器人的运动学仿真的研究

为了研究多自由度机器人的运动情况,讨论机器人的运动学问题,利用MATLAB中的Robotics Toolbox工具箱对该机器人进行正运动,逆运动分析,以及对机器人运动轨迹规划。然后将MATLAB中机器人运动得到的数据制成spline曲线导入ADAMS进行仿真,直观的观看机器人的每一个动作。实验证明从ADAMS中得到各关节的运动速度以及加速度与MATLAB中的运动情况完全一致,从而达到了对机器人运动轨迹的观测和控制以及利用 MATLAB 和ADAMS对机器人进行联合仿真的目的,为下一步对机器人进行动力学分析提供了较好的方法。     

基于多体系统理论的螺纹磨削研究

将多体系统运动建模方法应用到数控螺纹磨床建模中,建立机床、工件和砂轮的运动关系,推导出多线砂轮磨削螺纹的加工方程。开发螺纹磨削仿真软件,获得螺纹磨削加工G代码,在磨削螺纹的生产中取得了很好的效果。     

基于自适应反演的超细金刚线张力控制系统

针对多线切割机张力控制系统存在库仑摩擦和摆角耦合等较强非线性特征,以及收放卷轮直径变化引起的参数不确定问题,提出了一种基于自适应反演的非线性补偿控制方法。该方法结合实验辨识和自适应参数控制器设计方法分别对多线切割机的多轴电机同步运动控制系统和不确定系统参数进行简化分析和在线估计,使用李雅普诺夫稳定性理论保证了系统全局渐近稳定性以及系统状态的有界性。仿真和实验结果表明,所设计的自适应控制器可以实现多轴同步运动,并将张力摆角控制在较小的范围内,获得更高的张力控制精度。     

转管自动炮供弹系统制动方法及动态特性研究

由于转管自动炮对供弹系统的制动特性要求极高,故有必要研究附加力矩对供弹系统制动特性的影响。建立空间路径下弹带运动多体动力学模型,通过力矩变化对供弹系统制动特性进行仿真分析;通过动力学理论建立供弹系统弹链的运动约束方程,对弹链带上链节的运动规律进行描述;通过仿真分析结果和测试实验数据进行对比,得到附加制动力矩对供弹系统制动特性的具体影响。研究结果显示：附加制动力矩可以有效改善供弹系统的供弹条件。     

混凝土泵车臂架柔性多体动力学建模与仿真

用柔性多体动力学的理论分析四节臂混凝土泵车臂架系统的动态特性。把泵车的臂架模拟成柔性机器臂,采用拉格朗日方程和虚功原理建立混凝土泵车臂架系统的柔性多体动力学方程,通过对泵车臂架运动微分方程的推导和数值求解,对泵车各臂杆的运动情况进行分析。结合动力学仿真分析软件,分别建立四节臂混凝土泵车臂架的刚性模型和柔性模型,给定相同的驱动力矩对两种不同情况下的运动模型进行分析。仿真得出两种模型的变形曲线和第四节臂杆的角速度曲线,对比仿真结果表明,在研究轻质长臂杆混凝土泵车的臂架系统时,考虑各个臂杆柔性变形的影响是非常必要的,同时,研究成果也为混凝土泵车浇注自动化的研究提供了数学模型。     

基于虚拟样机技术的压印机构运动学仿真优化

利用MSC.ADAMS软件建立了某压印机构多体动力学仿真模型．分析了控制连杆的长度对整个压印机构的影响，并对该机构进行了运动仿真，然后结合该压印机构的具体仿真情况对ADAMS进行了二次开发，形成了一个自动建模和仿真系统，便捷地得出了控制连杆的优化解。     

深海采矿整体系统动力学建模及联动开采作业过程快速仿真分析

以国际海底区域多金属结核开采及我国深海采矿1000 m海试系统技术方案为工程背景,针对整体系统联动开采作业过程模拟研究的需要,提出并开发海底履带式集矿机单刚体快速动力学仿真模型。根据深海采矿系统整体运动与约束关系,将集矿机单刚体模型与扬矿管三维离散元模型相连接,组成深海采矿整体系统快速动力学仿真模型。提出两种新的整体联动开采作业方式——纵向联动折返式与横向联动折返式。通过分析、设计及仿真控制,实现两种整体联动开采作业方式的快速仿真分析。讨论集矿机按两种新提出的采集路径行走,同时采矿船拖曳扬矿管跟随集矿机运动时,整体系统的纵向与横向联动作业动力学特性。仿真分析结果表明,整体系统联动作业过程中各子系统均能保持在各自的稳定范围内运动,进而证明两种新提出的集矿机采集路径的可行性以及整体系统纵向与横向联动折返式作业方式的合理性。深海采矿系统整体联动开采作业过程动力学分析将为整体联动控制研究奠定基础,并为将来的深海采矿海试以及商业开采过程操控提供重要的理论分析基础与技术参考。     

自由漂浮空间机械臂非完整运动规划的粒子群优化算法

带空间机械臂航天器系统在无外力矩作用时,系统相对于总质心的动量矩守恒而变为非完整系统,由于非完整约束的不可积性,非完整系统的运动规划与控制比一般系统要困难得多.针对这一问题,利用非完整特性研究自由漂浮空间机械臂的三维姿态运动规划问题,导出带空间机械臂的航天器三维姿态运动数学模型,并将系统的控制问题转化为无漂移系统的非完整运动规划问题.在运动规划中,引入Fourier基函数构成系统控制输入,对基函数的系数向量优化,提出一种应用粒子群优化的最优运动规划数值算法.数值仿真表明该方法对空间机械臂及航天器三维姿态运动的非完整运动规划是有效的.     

漂浮机械臂调整载体姿态的研究

推导了漂浮多体系统动量矩守恒方程及动力学方程。运用机械臂的协调运动实现对载体位姿的调整 ,以及调整载体姿态的铰空间闭曲线方法。文中附有算例     

柔性多体系统动力学的递推建模与算法

基于将２种变量的耦合运算降低到最少的数学模型的建立,是解决柔性多体系统动力学数值病态的关键。提出一种柔性多体系动力学的单向递推建模方法。在此基础上提出了一种新的违约校正方法,在数值计算上给予保证,最后,通过对一个闭环柔性多体系统的动力学与控制仿真计算的实现,表明上述方法的可行性。     

计及侵入体作用的人体系统碰撞动力学模型研究

以多体系统理论为基础,以微软件公司新近的ｆｏｒｔｒａｎ ｐｏｗｅｒｓｔａｔｉｏｎ为编程工具,考虑侵入体的影响。建立汽车碰撞过程中碰撞接触力模型及人体动力学模型,并进行了数值解算。     

基于小波逼近的机械系统非完整运动规划数值方法

机械系统中的非完整约束通常是由不可积的速度约束或不可积的守恒律引起。由于非完整约束的存在,系统的运动控制和规划问题比一般的机械系统要困难得多。机械系统在动量和动量矩守恒且为零的情况下,系统动力学方程可降阶为非完整形式约束方程。基于这样的方程,将系统的控制问题转化为无漂移系统的非完整运动规划问题。针对带有非完整约束的机械系统,导出自由漂浮的空间机器人系统非完整运动模型。利用最优控制技术和小波分析方法,在控制输入中引入小波函数逼近,提出一种非完整机械系统运动规划数值方法。将该方法用于自由漂浮空间双臂机器人系统,仿真结果验证了方法的有效性。     

水下滑翔机多点探测能耗最低路径的规划方法

作为一种有前途的海洋现象自主观测平台,水下滑翔机通过调节自身净浮力和姿态实现空间运动。由于低能耗的驱动方式,水下滑翔机非常适合执行长期海洋探测任务。针对水下滑翔机的多点探测任务,本文提出一种能耗最低路径的规划方法。首先,建立了滑翔机整机动力学模型,推导了单剖面滑翔运动能耗模型。基于仿真结果,采用多项式拟合方法确定了滑翔机的能耗、航程、控制参数值和目标下潜深度之间的近似函数表达式。在运动路径给定条件下,研究了滑翔机能耗与剖面数之间的关系。在此基础上,将多点探测任务的路径规划抽象为旅行商问题(Traveling salesman problem, TSP),并基于遗传算法给出了该问题的求解方法。数值算例表明,该路径规划方法可有效降低滑翔机在执行多点探测任务时所需能耗。     

PID控制在大型起重船吊物系统中的应用

介绍了大型起重船的结构模式,针对起重船吊物PID控制策略,基于ADAMS软件建立了整个系统的多体动力学模型,设计出1种基于起重机原结构的PID控制方法,通过数值仿真对其进行了验证。结果表明：其控制效果可以满足工程要求,其作用对起重作业的安全有重要意义。     

加减速运动条件下6-UPS型并联机床刚体动力学模型简化研究

为解决刚体动力学模型的复杂性与控制系统的实时性之间的矛盾,对加减速运动条件下6-UPS型并联机床刚体动力学模型的简化进行了研究。首先采用Newton-Euler法建立了并联机床的刚体动力学模型,将模型分解为18项,并通过仿真分析了并联机床的刚体动力学特性。在此基础上,提出和检验了刚体动力学模型的简化策略。检验结果表明,提出的简化策略具有计算效率高、简化误差小的特点,为并联机床的精确实时控制奠定了基础。     

Dynamic responses of hydraulic mobile crane with consideration of the drive system

The dynamic behaviour of mobile cranes is determined not only by the steel structures and the external loads but also by the drive- and control systems. In today’s dynamic calculation of mobile cranes, the drive systems are modelled through the method of “kinematic forcing” or by measurements for outputs of the drive system. To improve this situation, a new method for dynamic calculation of mobile cranes has been developed. In this method, the flexible multibody model of the structure will be coupled with the model of the drive system. In that way the elastic deformation, the rigid body motion of structures and the dynamic behaviour of the drive system can be determined in an integrated model. The calculation method has been realized for a hydraulic mobile crane. In addition to the structural elements, the mathematical modelling for hydraulic drive- and control system is described. The crane rotating simulation for arbitrary working conditions has been carried out. As a result, a more exact representation of dynamic behaviour, not only for the crane structure, but also for the drive system is achieved.