微分求积法求解悬臂L梁固有振动特性研究北大核心CSCD

悬臂L梁结构由于具有柔性大、可设计性强、空间利用充分,振动过程中变形方式多样等独特优势而受到了广泛的关注与研究.该文提出了一种基于微分求积法求解末端附加质量块的矩形等截面均质悬臂细长L梁的各阶固有频率和模态的方法.在双坐标系下,基于Euler-Bernoulli梁理论建立了悬臂L梁的动力学方程,然后通过选取Chebyshev多项式的根作为节点坐标、选取Lagrange插值基函数、求解各阶权系数、处理边界条件等步骤,最终利用求解矩阵广义特征值问题的方法求得结构各阶固有频率及模态.在边界条件的处理上,直接将边界条件施加于边界点上,通过对比研究验证了该文固有频率理论解的正确性.最后分析了末端质量、内外梁的长度比、宽度、厚度对各阶固有振动特性的影响.该方法可以进一步应用推广到相关结构振动的研究中.     

刚柔耦合系统动力学建模及分析

准确预测经历大范围刚体运动和弹性变形的柔性体的行为,是当前柔性多体系统动力学领域关注的主要课题.基于线性理论的传统方法由于无法计及动力刚化效应,导致在许多实际应用中得到错误的结果.本文从离心力势场的概念出发,应用Hamilton原理建立了具有动力刚化效应的刚柔耦合系统的运动方程,证明了该方程解的周期性,并采用了Frobenius方法给出了其精确解的一般形式.通过算例分析了刚体运动对弹性运动的模态和频率的影响.     

柔性杆柔性铰机器人动力学分析

研究由N柔性杆和N柔性铰组成的空间机器人的动力学问题．把柔性铰简化成一个线性扭转弹簧,采用假设模态法表示杆件的弹性变形,运用Kane方法对全柔机器人进行动力学建模,推导出完整的系统动力学方程组．通过一个数值仿真算例,验证所做工作的可行性,并分析了柔性效应对机器人动力学响应的影响．     

基于时间有限元方法的旋转柔性叶片动力学响应分析

将时间有限元方法引入到柔性多体系统的数值计算中,研究了旋转柔性叶片系统的刚-柔耦合响应问题.首先,基于非线性梁理论,建立了旋转柔性叶片系统的中心刚体-柔性梁模型,构造柔性叶片系统考虑一次近似耦合的Lagrange函数;其次,采用假设模态方法对空间坐标进行离散,建立系统的时间有限元格式;最后,通过数值实验,分析了柔性叶片的动力学响应.该方法直接构造了系统的离散积分格式,并自动保证了该格式是保辛的,因而具有较高的数值精度和稳定性.数值结果表明:时间有限元可以有效地求解旋转柔性叶片系统内低频大范围运动与高频弹性振动之间的刚-柔耦合问题.     

具有确定运动姿势的柔性体的动力学分析研究

讨论了具有确定运动姿态的柔性多体系统的非线性动力学控制方程． 将飞行器在空间的运动看作是已知的,分析了飞行器上的挠性构件对飞行器运动和姿态的影响,利用假设模态,将挠性构件的变形,看作是空间直角坐标轴方向的线元振动所构成的,根据动力学中的Kane方法,建立了动力学方程,方程中包含表示弹性变形的结构刚度矩阵及表示变形体非线性变形几何刚度矩阵,方程推导从应力-应变关系入手,使用了有限元法．经简化,得到了带帆板结构的平面挠性体对飞行器运动影响的动力学方程,这种方程可通过计算机实现其数值解．     

多杆空间柔性机器人递推Lagrange动力学建模和仿真

研究了多杆空间柔性机器人的动力学问题.运用Lagrange方法,结合齐次变换矩阵,推导得到了多杆空间柔性机器人动力学方程,在推导过程中采用了运动学递推策略以提高计算效率.建模时除考虑柔性构件的横向弯曲变形外,还计及了构件的扭转变形.基于上述理论研制了多杆空间柔性机器人动力学仿真软件,并对一空间柔性机器人进行了动力学仿真计算,验证了理论和软件的先进性能.     

基于S-R和分解定理的几何非线性问题的数值计算分析

为了探究几何非线性问题的数值求解方法,采用理论推导、MATLAB编程计算、有限元模拟相结合的方法,基于S-R和分解定理及更新拖带坐标描述法,运用插值型无单元Galerkin方法对几何非线性问题的增量变分方程进行了推导,并通过四点Gauss积分法和不动点迭代法对其进行求解.最后以平面悬臂梁的大变形问题为例进行求解计算,发现与ANSYS的计算结果拟合相似度很高,说明了所采用的几何非线性力学理论及数值计算方法的正确性和合理性,为求解几何非线性问题提供了一种新的依据.     

重力载荷作用下柔性梁的结构变形与承载力分析

柔性体在承受外载荷作用时,会通过自身变形,降低所承受的外载荷.为了研究重力载荷作用下柔性梁的结构变形与承载力之间的定量关系,首先建立模拟实验分析重力载荷在梁上的分布形式;基于Timoshenko梁的大变形本构方程,建立承受重力载荷作用下大变形梁的控制方程;通过量纲分析,确定研究两个无量纲变量,结构变形数与Cauchy数;数值求解控制方程,分析结构变形数与Cauchy数之间的定量关系;与实验结果对比,证实理论模型的可靠性,并结合文献中树枝承受雪载荷的实验数据,分析模型用于预测实际问题的可行性.所建理论模型可用于机械工程中柔性结构件的变形分析与承载力设计,也可用来预测自然界中风沙、大雪环境下植被的抗倒伏能力.     

带有摩擦的单边接触大变形问题的研究(Ⅰ)——增量变分方程

本文以非线性连续体几何场论为基本理论和方法,建立了拖带坐标下弹塑性大变形增量变分方程的更一般表示式.给出了二维、三维连续体接触边界变化率公式,得到了变边界接触大变形增量变分公式和速率型变分不等式,为有限元计算求解带有摩擦弹塑性大变形接触问题提供了理论基础.     

求解非定常非完整约束多体系统动力学的一种方法

通过对约束矩阵进行奇异值分解,将系统的动力学方程沿与约束相容和不相容的两个方向上投影,求解受非定常非完整约束的多体系统动力学问题,并给出了求约束反力的公式和避免违约的一种方法;这种解法不仅不依赖于描述系统的坐标选择,而且计算效率高。最后举了一个说明性例子。     

基于非约束模态的中心刚体-Timoshenko梁动力学建模与分析北大核心CSCD

梁的横向变形会导致梁纵向缩短,建模过程中考虑梁横纵变形二次耦合项则存在动力刚化现象,这说明梁的纵向变形会对模型的广义刚度造成影响.对于做旋转运动的梁结构,旋转运动时还会受到离心力的作用而产生轴向拉力,轴向拉力同样也会引起梁的轴向变形,这种影响对粗短梁更加明显.以大范围运动中心刚体-Timoshenko梁模型为研究对象:首先,运用Timoshenko梁理论以及Hamilton原理建立含离心力的动力学模型;其次,引入非约束模态概念,采用Frobenius方法求解非约束模态振型函数以及固有频率;最后,通过数值仿真探究不同恒定转速时非约束模态与约束模态广义刚度的差异和非约束模态条件下离心力对模型的影响.     

在动载荷作用下框架结构大变形分析的微分代数方法

采用弧坐标首先建立了在动载荷作用下,具有不连续性条件和初始位移的框架结构大变形分析的非线性数学模型．其次, 在空间区域内, 采用微分求积单元法（DQEM）来离散非线性数学模型, 并提出了在使用DQEM来求解结构大变形分析中,多个变量具有间断性条件的有效方法,得到了一组非线性DQEM的离散化方程,它是时间域内的一组具有奇异性的非线性微分-代数方程．同时也给出了求解非线性微分-代数方程组的一个解法A·D2作为应用,求解了受集中力和分布力作用的框架和组合框架的大变形静动力学问题,并与现有结果进行了比较．数值算例表明,处理多个变量具有间断性条件的方法和求解代数-微分系统的方法是一个有效的和一般的方法,它具有较少的节点、 较小的计算工作量、 较高的精度、良好的收敛性、 操作简单以及应用广泛等优点．     

解无定法，但有法可寻——抛物线与直线方程问题的解法探究与变式演练

求解符合某种条件的动点运动规律问题，其实质就是利用题设中的已知条件，用“坐标化”将其转化为寻求变量间的关系；求轨迹方程的主要思路就是充分利用已知的几何条件，通过“解析化”将其转化为代数方程.本文中以研究2022年全国高考甲卷抛物线与直线方程大题的解法为切入点，通过相似题型的变式演练，探究了此类问题的常用解法.     

圆柱贮箱液体非线性晃动的多维模态分析方法

将Faltinsen等提出的多维模态理论应用到求解圆柱贮箱液体非线性晃动问题中．根据Narimanov-Moiseiev的三阶渐近假设关系,通过选取主导模态以及确定它们的阶次关系,将一般形式的无穷维模态系统降为五维渐近模态系统,即描述自由液面波高的广义坐标之间相互耦合的二阶非线性常微分方程组．通过对这个模态系统的数值积分,得到了与以前的理论分析和实验结果相吻合的非线性现象．研究结果表明,多维模态方法是用来求解液体非线性晃动动力学的一个很好的工具．在我们的下一步工作中,将继续发展这种方法,用来研究更为复杂的晃动问题．     

旋转输液管动力稳定性理论分析北大核心CSCD

基于Lagrange原理和假设模态法建立了旋转输液管的动力学模型.通过降阶升维的方法求解系统的特征值问题,并分析了旋转输液管自由振动特性.得到了不同端部集中质量和转速下,系统特征值随流速升高的演变轨迹.揭示了临界流速随系统参数的变化规律.研究发现,内部流体的流动对旋转输液管动力学特性存在显著影响.在某些参数组合下,系统低阶模态能够形成不同形式的内共振关系.预示了旋转输液管模型蕴含丰富的动力学现象.     

末端质量作用下变长度轴向运动梁的振动特性

对带集中质量,变长度(或速度)轴向运动梁的振动特性采用两种精确方法求解.首先,对变长度轴向运动Euler(欧拉)梁横向自由振动方程进行化简,通过复模态分析得到本征方程,并在有集中质量的边界条件下得到频率方程,用数值方法求解固有频率和模态函数.然后,采用有限元方法建立运动梁自由振动的方程,求解矩阵方程得到复特征值和复特征向量,结合形函数得到复模态位移.最后,将两种方法的计算结果进行了分析和对比.数值算例的结果表明:不同的轴向运动速度和集中质量对变长度轴向运动梁的振动特性有显著影响,两种计算方法的结果接近且均有效.     

抛物型方程边界比例采样反馈镇定器的允许采样间隔的最大化（英文）

本文研究了抛物型方程的边界采样反馈镇定问题.采用模态分解的方法,我们证明了存在边界比例采样反馈,使得一类抛物型方程局部指数稳定,并且该反馈的允许采样间隔在所有可行的比例采样反馈中是最大的.     

柔性梁内平衡模型降阶与主动控制的实验研究

内平衡降阶方法能够有效地解决柔性结构的模型降阶问题,尤其是对于频率密集结构．然而由于存在如何从物理传感器测量中提取内平衡模态坐标的问题,目前关于内平衡降阶方法的研究大多是在理论上进行探索,少有实验研究和工程应用报道．该文以柔性梁为对象,开展内平衡降阶方法的理论与实验研究,并且基于降阶模型进行主动控制的设计．文中介绍了一个基于DSP TMS320F2812芯片的实验系统,提出了一个从物理传感器测量中提取内平衡模态坐标的近似方法,并且通过仿真与实验验证了该方法的可行性和有效性,基于降阶模型的控制设计能够有效地抑制梁的弹性振动．     

基于时域配点法的充液储箱系统多模态方程求解

采用时域配点法研究了充液储箱系统多模态方程的稳态周期解.在模型求解过程中,利用牛顿迭代法求解了配点法得到的非线性代数方程组,而牛顿迭代的初值来自谐波平衡法求解得到的低阶谐波近似.数值仿真结果验证了时域配点法的有效性,并验证以二倍激励频率为基频的第二模态的假设形式更为有效.最终通过对比谐波系数数量级提出一种更为简洁有效的模态表达形式.     

两自由度非对称三次系统非奇异时的非线性模态及叠加性

本文利用非线性模态子空间的不变性研究两自由度非对称三次系统在非奇异条件下的非线性模态及其模态叠加解有效性，重点考虑这种有效性与模态动力学方程静态分岔之间的关系·大量的数值结果表明，非线性模态解的有效性不仅与其局部性的限制有关，而且与模态动力学方程静态解分岔有关·