刚-柔耦合动力学系统的建模理论研究

刚－柔耦合动力学系统的传统的混合坐标方法是零次近似方法,在建模过程中,直接套用的结构动力学的小变形假设,忽略了变形位移的高次耦合变形量．本文对柔性梁建立较零次近似更精确的高次耦合动力学模型,从连续介质力学理论出发,在变形位移中,计及横向位移引起的轴向缩短,导出变形位移的二次耦合量．用一致质量有限元方法对梁进行离散,基于Jourdain速度变分原理导出大范围运动为自由的柔性梁的刚－柔耦合动力学方程．计算了柔性重力摆的角速度和摆端点的横向变形,揭示零次近似模型和耦合模型的刚－柔耦合动力学性质的根本差异．     

基于初应力法的作大范围运动柔性梁动力学建模理论研究

研究了初应力法的作大范围运动柔性梁的建模理论.根据连续介质理论,考虑应变-位移中的非线性项,用一致质量有限元法对柔性梁进行离散,基于Jourdain速度变分原理导出定轴转动下大范围运动为自由的柔性梁刚-柔耦合动力学方程.从其刚柔耦合动力学方程出发,考虑在大范围运动已知情况下的结构动力学方程.通过引入准静态概念,把其结构动力学方程转化为准静态方程.对纵向和横向变形节点坐标进行坐标分离,解出与纵向变形相关的准静态方程,得到准静态时的纵向应力表达式,从而获得附加刚度项.并对此非惯性系下作大范围运动柔性梁的结构动力学方程进行数值仿真,对零次近似模型、一次近似模型、初应力法动力学模型的仿真结果进行分析,揭示三种模型的动力学性质的差异.     

刚-柔耦合多体系统动力学建模与数值仿真

柔性多体系统动力学传统的混合坐标建模方法忽略了变形位移的高次耦合变形量，是一种零次近似方法，其适用范围受到限制。本文以中心刚体、柔性粱及末端质量组成的刚柔耦合系统为对象，考虑了有粘性阻尼及风阻的情况。在柔性粱的纵向变形位移中计及了横向位移引起的轴向变形，并采用有限元方法和Hamilton变分原理导出了系统的刚柔耦合一次近似的动力学方程。该方程充分计及了中心刚体的大范围运动与柔性粱的弹性变形运动的相互耦合，并采用一致的方法引入了阻尼因素。文中最后提供了一个比“动力刚化”问题更具有一般性的仿真计算反例，进一步说明了零次近似方法在处理某些刚一柔耦合动力学问题时的缺陷，同时表明了由一次近似模型可得到正确合理的结论。     

作大范围运动弹性梁刚—柔耦合动力学建模

利用弹性梁的变形理论和 Hamilton力学原理对作大范围运动弹性梁的刚 -柔耦合动力学建模理论进行了研究。分析了大范围运动对弹性梁的横向振动和纵向振动的影响 ,得到了大范围运动与弹性梁的中线耦合变形之间的耦合作用对该系统动力学性质有显著的影响 ,从而提出了作大范围运动弹性梁的刚柔耦合动力学模型     

平动弹性梁的刚-柔耦合动力学

本文建立了作大范围平动弹性梁的刚-柔耦合动力学控制方程。分析了大范围平动对弹性梁变形运动动力学性质的影响，发现了大范围平动与变形运动之间的耦合动力学与大范围转动与变形运动之间的耦合动力学存在显著的差异。大范围平动使弹性梁的刚度降低，同时使系统阻尼增加；而大范围转动使弹性梁的刚度增加，同时使系统产生了能量转换的陀螺效应。因此，柔性多体系统刚-柔耦合动力建模中必须包括大范围平动与柔性体变形运动之间的耦合动力学效应。     

旋转运动柔性梁的假设模态方法研究

采用假设模态法对旋转运动柔性梁的动力特性进行研究，给出简化的控制模型. 首先采用Hamilton原理和假设模态离散化方法，在计入柔性梁由于横向变形而引起的轴向变形的二阶耦合量的条件下，推导出基于柔性梁变形位移场一阶完备的一次近似耦合模型，然后对该模型进行简化，忽略柔性梁纵向变形的影响，给出一次近似简化模型，最后将采用假设模态离散化方法的结果与采用有限元离散化方法的结果进行了对比研究. 研究中考虑了两种情况：非惯性系下的动力特性研究和系统大范围运动为未知的动力特性研究. 研究结果显示，当系统大范围运动为高速时，在假设模态离散化方法中应增加模态数目，较少的模态数目将导致较大误差. 一次近似简化模型能够较好地反映出系统的动力学行为，可用于主动控制设计的研究.     

矩形薄板的刚柔耦合动力学系统的建模理论研究

以由中心刚体与柔性板构成的刚柔耦合系统为对象,研究了零次近似模型和耦合模型在动力学方程以及实际计算中表现出来的差异.首先,从连续介质理论出发,在变形位移中,计及了在结构动力学中被忽略的变形位移的附加耦合项,建立了由中心刚体与柔性板构成的刚柔耦合系统的一次近似动力学模型.用一致质量有限元法对柔性板进行离散,基于Jourdain速度变分原理推导出大范围运动为自由的柔性板刚柔耦合动力学连续变分方程.通过数值仿真研究中心刚体和柔性板的大范围运动和变形运动的规律,揭示刚柔耦合动力学性质.通过数值对比,指出了零次近似模型的局限性.     

旋转悬臂梁的刚柔耦合动力学建模与频率分析

对固结于转动刚体上外接柔性梁的刚柔耦合动力学建模和频率特性进行了研究,在精确描述柔性梁非线性变形的基础上,利用Hamilton变分原理和假设模态法,在计入柔性梁由于横向变形而引起的轴向变形二阶耦合量的条件下,推导出考虑"动力刚化"项的一次近似耦合模型。首先忽略柔性梁纵向变形的影响,给出一次近似简化模型,引入无量纲变量,对简化模型做无量纲化处理,分析梁固有频率对模态截断数的依赖性;其次研究在一次近似简化模型和零次近似简化模型下,调谐角速度与共振现象的关系;最后分析一次近似耦合模型的动力特性。研究发现,为保证计算的精度,模态截断数应随无量纲角速度的增大而增加,合理的模态截断数具有收敛值;一次近似简化模型下悬臂梁横向弯曲振动不存在共振调谐角速度,一次耦合模型下柔性梁并没有出现屈曲失稳现象。现有典型文献的相关结论是值得商榷的。     

考虑非线性变形的航天器柔性附件建模方法

针对航天器的柔性附件,将其简化为常见的大范围运动空间柔性梁结构。根据柔性体的非线性变形原理,考虑了弯曲和扭转的非线性因素的影响,在柔性梁的三个变形方向上均考虑了变形的二次耦合项。利用有限元方法进行离散并用Lagrange方程建立了非线性变形模式下的动力学方程,包含了较为完全的刚度矩阵和各种耦合项。对一大范围运动的空间梁进行了仿真计算,表明在运动速度较大并且基座具有大范围运动时,一次耦合模型与本文模型有一定差异,且初始变形对两种模型也会产生影响。     

A HIGH-ORDER RIGID-FLEXIBLE COUPLING MODEL OF A ROTATING FLEXIBLE BEAM UNDER LARGE DEFORMATION

对在平面内做大范围转动的中心刚体-柔性梁系统的刚柔耦合建模理论进行了深入研究,建立了系统的高次耦合动力学模型. 该动力学模型考虑了柔性梁横向弯曲变形和纵向伸长变形,且在纵向位移中计及由于横向变形而引起的纵向缩短项,即非线性耦合变形项,并保留了与非线性耦合项相关的一些高阶项,最终得到了系统的高次刚柔耦合动力学方程. 由此得到的动力学方程不仅能适用于柔性梁的小变形问题,也同样适用于大变形问题,弥补了一次近似耦合模型在处理柔性梁大变形问题上的不足. 通过与绝对节点坐标法以及一次近似耦合模型的对比验证了高次耦合模型的正确性.     

Theoretical Analysis of Viscous Coupling in Two-phase Flow through Porous Media

Theoretical analysis is presented to quantify the viscous coupling effect in two-phase flow through porous media. The analysis is based on the principle of potential difference equations as well as on the interfacial contact area and partition concept. The analysis shows that viscous coupling effect is negligible throughout the normalized saturation range. The expression, Xϕ ², was developed for the quantification of the parameter that controls the amount of viscous coupling, where X was theoretically found to have a maximum value of 2.     

平行结构流固耦合振动特性的研究

本文以多片平行悬臂板为模型,对平行结构流固耦合振动特性问题从理论上进行了探讨,导出了便于分析计算的理论表达式,并进行了计算与实验验证。结果说明,分析方法正确,对于分析实际水工结构的完全流固耦合问题具有现实意义。     

混沌网络的聚类同步方法

由于通讯技术和生物工程等科学的发展，许多的聚类同步现象陆续被发 现和研究. 然而，由于网络的复杂性，有关聚类同步的理论结果极少见报道. 从上述问题出发，对于大小为N=mn的网络, 通过构造带权重的相互作用，得 到了n个聚类的聚类同步，其中每个聚类的振子数目都等于m. 最后， 以耦合Lorenz系统为例，验证了以上结果的正确性.     

3-PRS并联机器人惯量耦合特性研究

惯量是影响机器人动态性能的主要因素,并联机器人因其多支链耦合的结构特点,关节空间各驱动轴出现惯量耦合的动力学特性,在高速、高加速度运动时易引起控制超调、振动等现象,破坏机器人的动态性能,因此研究并联机器人惯量耦合特性具有重要意义. 以3-PRS 并联机器人为例,通过虚功原理求得惯量矩阵,提出惯量耦合指标,该耦合指标表征了并联机器人在工作空间不同位姿时各驱动轴的耦合惯量大小,并给出了该耦合指标在机器人工作空间内的分布规律. 进一步在一台3-PRS 并联机器人样机上进行了实验验证,结果表明耦合惯量会改变驱动轴负载,负载的改变将最终影响动态性能. 同时各驱动轴的负载变化量随着惯量耦合指标的变大而变大,与理论分析有较好的一致性. 研究成果可帮助评价并联机器人的动力学耦合特性,并可用于并联机器人的结构参数优化及伺服参数调试以提高机器人的动态性能.      

带裂纹旋转柔性梁系统的刚柔耦合动力学研究

对具有刚柔耦合效应的带裂纹旋转柔性梁进行建模和动力学特性分析研究。采用晶格弹簧离散模型,利用无质量弹簧模拟梁上裂纹,通过考虑梁变形的二阶耦合项建立了带裂纹旋转柔性梁系统的一次近似耦合动力学控制方程。数值计算结果表明,裂纹的存在会使旋转柔性梁的固有频率降低,并且随着梁转速的增大,这种降低效应呈减弱趋势;值得注意的是,裂纹梁的固有频率与裂纹处的弯矩具有正相关关系。此外,裂纹的存在不仅会使转速变化阶段梁的末端位移响应增大,还会对转速稳定后梁的末端振荡产生显著的影响。     

均匀来流条件下并行排列旗帜耦合运动模式的实验

利用高速摄影技术在低速风洞中记录了不同间距并行排列的两个旗帜在不同来流速度中的耦合运动。利用自编的时间-空间演化图像处理软件分析总结了旗帜的耦合运动模式以及旗帜摆动振幅、频率和St数的变化规律。实验结果显示,随着排列间距和来流速度的变化,两旗帜可能以静止、同向摆动、反向摆动和过渡状态这四种不同的模态耦合运动。两旗帜同向摆动时摆动频率明显低于单个旗帜在相同来流中的值,反向摆动时情况相反。在过渡状态中两旗帜摆动的振幅交替增减并且运动中同时包含有两个频率,而同向和反向摆动都是单频率的运动。     

长单索结构的多参数流固耦合分析

介绍了长索结构在风场中的流固耦合振动,总结已有的流固耦合基本理论,着重介绍弱耦合问题的具体分析过程.以100m长索在不同拉索倾角和风向角的多参数流固耦合风振为例,应用ANSYS-CFX软件分别在层流模型和湍流模型风场中进行数值分析,得出与力学概念分析基本一致的结果.     

关于采用粗粒化提高颗粒材料多尺度模拟守恒特性的研究

连续体-颗粒耦合方法常用来描述连续-非连续颗粒行为或解决颗粒材料与其他可变形构件间相互作用问题。粗粒化coarse-graining (CG)是基于统计力学的均匀化方法,由离散的颗粒运动定义连续的宏观物理场。本文利用粗粒化(CG)推导有限元-离散元(FEM-DEM)表面和体积耦合的一般性表达式。对于表面耦合,CG可以将耦合力分布到颗粒-单元接触点以外的位置,如相邻的积分点;对于体积耦合,CG可以将颗粒尺度的运动均匀化到耦合单元上。由粗粒化推导出的耦合项仅包含一个参数,即粗粒化宽度,为均匀化后的宏观场定义了一个可调整的空间尺度。当粗粒化宽度为零时,表面和体积耦合表达式简化为常规局部耦合。本文通过弹性立方体冲击颗粒床和离散-连续介质间波传播两个数值算例,展示使用粗粒化方法提高耦合系统能量守恒的优势,并结合其他耦合参数(如体积耦合深度)讨论了粗粒化参数对数值稳定性和计算效率的影响。     

Generalized relative permeability coefficients during steady-state two-phase flow in porous media,and correlation with the flow mechanisms

A parametric experimental investigation of the coupling effects during steady-state two-phase flow in porous media was carried out using a large model pore network of the chamber-and-throat type, etched in glass. The wetting phase saturation,S ₁, the capillary number,Ca, and the viscosity ratio,k, were changed systematically, whereas the wettability (contact angleθ _e ), the coalescence factorCo, and the geometrical and topological parameters were kept constant. The fluid flow rate and the pressure drop were measured independently for each fluid. During each experiment, the pore-scale flow mechanisms were observed and videorecorded, and the mean water saturation was determined with image analysis. Conventional relative permeability, as well as generalized relative permeability coefficients (with the viscous coupling terms taken explicitly into account) were determined with a new method that is based on a B-spline functional representation combined with standard constrained optimization techniques. A simple relationship between the conventional relative permeabilities and the generalized relative permeability coefficients is established based on several experimental sets. The viscous coupling (off-diagonal) coefficients are found to be comparable in magnitude to the direct (diagonal) coefficients over board ranges of the flow parameter values. The off-diagonal coefficients (k _rij /Μ _j ) are found to be unequal, and this is explained by the fact that, in the class of flows under consideration, microscopic reversibility does not hold and thus the Onsager-Casimir reciprocal relation does not apply. Thecoupling indices are introduced here; they are defined so that the magnitude of each coupling index is the measure of the contribution of the coupling effects to the flow rate of the corresponding fluid. A correlation of the coupling indices with the underlying flow mechanisms and the pertinent flow parameters is established.