基于质量阵Cholesky分解的发动机悬置系统优化

根据拉格朗日方程,建立发动机悬置系统的动力学模型;基于广义坐标下质量矩阵的Cholesky分解,设计正则模态矩阵;结合悬置系统的能量分布矩阵和工程约束条件,在最小二乘原则下,对支撑参数进行优化求解;在发动机的振动激励源分析的基础上,通过对悬置系统进行动力学仿真,证明了基于质量阵Cholesky分解的发动机悬置系统优化方法的可行性及有效性。     

求解结构动力学方程的一种辛格式及其优化

论文将四阶隐式高斯勒让德辛龙格库塔法应用于线性结构动力学方程,并对其进行了算法优化.针对n个自由度的动力学初值问题,先通过消元得到n阶线性代数方程组,利用其系数矩阵稀疏对称正定的性质,采用预处理共轭梯度法求解,其中预条件子由系数矩阵的不完全Cholesky分解得到.通过与中心差分法、Newmark-β法及Runge-Kutta法相比,论文方法在计算量未显著增加的前提下给出了更高的计算精度.     

广义特征值问题的Collatz包含定理

工程中已发展了许多矩阵特征值问题的近似求解方法,由Duncley法给出固有频率基频的下界,Rayleigh-Ritz近似法建立的方程,给出基频的上界,以及通常的矩阵迭代法给出的矩阵的固有频率程序中是以某一元素迭代前后比值确定的,这样实际上很难说是上界或下界。Collatz包含定理仅适用于对称标准特征值问题,可以给出特征值上、下界。采用矩阵Cholesky三角分解的原理,把Collatz包含定理推广到适用于具有对称矩阵的一般结构系统的广义征值问题,对于分解刚度矩阵或质量矩阵可给出基频,或最高因有频率。为了验证理论的正确性,给出了算例。     

发动机空间6DOF动力隔振拓扑模型仿真研究

汽车发动机悬置是典型的6DOF动力隔振系统,传统的动力隔振模型将动力机械整体视为刚体,而本文考虑运动零部件的影响,为汽车发动机悬置的结构设计带来了一种全新的视角。通过对发动机上运动零部件进行受力分析,找到引起发动机振动的最主要内在激励源;建立6DOF动力隔振空间拓扑模型,利用Simscape/Multibody仿真研究,验证了传统的动力隔振模型与空间拓扑模型之间存在理论误差;动力隔振拓扑模型更能准确描述6DOF动力隔振系统特性,所建立的汽车6DOF发动机Simscape/Multibody仿真模型可为后续的主动悬置设计提供重要基础。     

基于奇异值分解的多重渐消鲁棒Cubature卡尔曼滤波及在组合导航中的应用

为了提高标准Cubature卡尔曼滤波（CKF）的稳定性和鲁棒性,提出一种改进的多重渐消H∞滤波Cubature卡尔曼滤波算法。首先基于系统状态的可观测性给出多重渐消因子矩阵求解过程,提高滤波算法的稳定性,抑制滤波发散;其次,引入H∞鲁棒思想,构造多重渐消H∞滤波Cubature卡尔曼滤波器;最后,提出采用一种奇异值分解的矩阵分解策略代替标准Cubature卡尔曼滤波中的Cholesky分解,进一步提高算法的数值稳定性。实际GPS/INS组合导航实验表明,改进的多重渐消H∞滤波Cubature卡尔曼滤波算法不仅能有效抑制滤波发散提高算法的稳定性,而且对观测野值具有更高的鲁棒性;提出的新算法与标准CKF算法相比,XYZ三个方向的位置精度分别提高了55.8%,46.6%和39.7%。     

基于伪距的北斗双星/SINS组合导航系统可观测度分析

在连续的分段式定常系统模型基础上,证明了通过简化分段式定常系统的可观测矩阵来分析其离散化模型可观测性能的可行性;介绍了一种基于奇异值分解的系统状态可观测度分析方法.通过对一个分段间隔的条带化可观测矩阵进行奇异值分解来判断每一个奇异值对应的系统状态及每一个系统状态对应的可观测度;根据北斗双星定位系统的双伪距、高精度原子钟及气压高度信息,建立了北斗双星/SINS伪距组合滤波模型,并将可观测度分析方法应用于该模型中.仿真结果表明:在伪距组合模式下对简化的分段式定常系统可观测矩阵进行奇异值分解的方法能有效反映北斗双星/SINS组合导航系统的可观测程度.     

树形多刚体系统的动力学普遍方程

本文继J.wittenburg,之后用图论的观点分析树形多刚体系统的结构,提出重叠子树结构的力学模型及脉络图定义,改进了增广体的概念从而使系统可以进行动力学等效分解。在规定一些符号及运算规则以后使用紧凑的矩阵形式导出树形多刚体系统动力学普遍方程组。在引进铰链矩阵以后系统的约束和运动学关系都写成矩阵形式,从而导出以广义坐标表出的动力学方程组,便于进行数值计算的程序设计。     

汽车动力总成悬置系统振动解耦计算方法研究

目前,汽车发动机动力总成悬置系统设计的主要任务是选择悬置元件的刚度、位置和角度,使悬置系统自由振动模态频率避开发动机怠速激励力频率与车身自振频率,并尽量提高各模态振型的解耦程度,从而提高悬置系统隔振效果。悬置系统按预定频率严格解耦设计是使设计出的悬置系统模态频率完全等于按汽车设计频率规划预定的频率,并使各模态的振型严格解耦,即各向振动能量的解耦度等于1。本文从悬置系统的自由振动方程出发给出了对悬置系统按预定频率严格解耦设计的方程组,通过方程组构造函数进而求出该方程组的解,从而提供比当前的悬置系统模态优化设计更为简便高效的优化设计方法。相应的算例验证了本文提出的按预定频率严格解耦设计方程和求解方法的正确性。     

Matlab编程实现求解基于振型叠加法的多自由度动力学系统的时域和频域响应

给出了求解多自由度动力学系统响应的M atlab程序,这些程序基于振型叠加法可用于求解由质量矩阵M和刚度矩阵K以及常见阻尼矩阵描述的线性离散系统的时域和频域解.对于无阻尼系统,用户可以选择数值解或符号解析解(以时间或频率表示),并利用复模态叠加法计算了阻尼系统的数值解.总结了模态叠加方法下动力学响应的求解,并在简短的M atlab程序中实现.以三自由度系统和悬臂梁模型为例说明了程序的应用.这些程序也可用于工程应用中,通过对商用有限元软件包产生的质量和刚度进行后处理,产生感兴趣的时域和频域响应.     

含分数阻尼特性元件的多体系统动力学研究

在绝对节点坐标体系下研究了具有分数导数阻尼特性元件的多体系统动力学建模、求解问题. 采用基于绝对节点坐标的无闭锁效应剪变梁单元离散柔性构件,建立了含常数质量矩阵的系统动力学方程, 并采用数值耗散可控的广义a方法求解. 通过数值算例计算,对比研究了算法参数与阻尼项的分数指数对系统动力学响应的影响规律.该方法可以进一步扩展到众多工程实际问题研究中.      

多体系统动力学子系统求解算法

为了降低系统求解规模,提高复杂多体系统动力学求解效率,研究了多体动力学子系统求解算法.通过分析系统拓扑构型,基于雅克比矩阵分块特性,提出子系统综合算法.算法采用半递归法建立含开环、闭环的子系统运动方程,将子系统质量和外力等效作用在内接基体上,解耦系统运动方程组装和加速度求解.此外,针对松散耦合子系统,提出了予系统分治算法.算法针对子系统间的耦合特点,分解复杂多体系统模型,实现子系统的独立求解.最后以机构动力学数值求解实例,验证上述算法的正确性和求解效率.     

考虑弹簧阻尼作动器解析雅可比矩阵的多刚体动力学分析

弹簧-阻尼-作动器(spring-damper-actuator,SDA)是多体系统中常见的力元,在工程领域中有着广泛的应用.采用绝对坐标方法建立的多体系统动力学控制方程通常是复杂的非线性微分-代数方程组.为了保证数值解的精度和稳定性,通常需要采用隐式算法求解动力学方程,而雅可比矩阵的计算在隐式数值求解过程中至关重要.对于含有SDA的多体系统,SDA造成的附加雅可比矩阵是与广义坐标和广义速度相关的高度非线性函数.目前的很多研究工作专注于广义力向量的计算,然而对附加雅克比矩阵的计算则少有关注.针对含SDA的多刚体系统进行动力学分析,首先基于Newmark算法研究其在动力学方程求解中的雅可比矩阵的构成形式;然后推导SDA的广义力向量对应的附加雅可比矩阵,其中包括广义力向量对广义坐标和对广义速度的偏导数矩阵.最后通过两个数值算例研究附加雅可比矩阵对动力学分析收敛性的影响;数值分析表明:当SDA的刚度、阻尼和作动力数值较大时,SDA导致的附加雅可比矩阵对数值解的收敛性有重要影响;当考虑SDA对应的附加雅可比矩阵时,动力学分析可以以较少的迭代步实现收敛,从而减少分析时间.     

基于自适应均方根EKF的惯性辅助航天器仅测角导航方法

针对微小卫星等航天器对空间非合作目标交会操作中的自主相对导航问题,提出了一种基于自适应均方根EKF的惯性辅助航天器仅测角导航方法。首先,推导了一种基于Clohessy-Wiltshire (CW)方程的仅测角导航模型。然后,基于误差状态推导了一种仅测角/惯性组合相对导航模型。接着,基于Cholesky分解得到组合导航系统的状态协方差矩阵,并引入“新息”协方差匹配方法对测量噪声进行在线自适应调整,构建了一种自适应均方根EKF对该组合导航系统状态进行动态滤波估计,并采用Fisher信息矩阵对该组合导航系统的可观性进行评估。最后,在搭建的半物理仿真平台上进行了仿真验证,得出终端时刻采用自适应均方根EKF比EKF的迹向滤波精度平均提高了35%,径向和法向滤波精度平均提高了25%。     

考虑摩擦特性的柔性关节空间机器人自适应CMAC神经网络鲁棒控制

讨论了关节摩擦力矩影响下,具有柔性铰关节的漂浮基空间机器人系统的动力学控制问题.设计了基于高斯基函数的小脑神经网络(CMAC)鲁棒控制器和摩擦力矩补偿器.用奇异摄动理论对系统的动力学模型进行快慢变子系统分解,针对快变子系统,设计力矩微分反馈控制器来抑制机械臂关节柔性引起的振动;对于慢变子系统,设计了基于自适应CMAC神...     

基于子结构解耦的连接特性识别新方法

连接部件动态特性的准确辨识对预测装配式机械结构的动力学行为有重要意义. 针对传统基于子结构解耦的连接结构动力学特性识别方法难以直接利用可测量数据进行辨识及辨识结果受噪声影响显著等问题, 本文提出了一种新方法. 首先, 提取子结构解耦基本方程在测试自由度上的分量, 并经矩阵变换得到显含连接动刚度矩阵的形式, 而后由真实连接动刚度矩阵分解为已知的初始矩阵与待求的增量矩阵, 推导了具有收敛性质的增量型方程以增强界面自由度较多时辨识的数值稳定性, 并采用多项式拟合动刚度将其转化为了拟合系数的频域估计方程, 按给定准则选取合适的频率点联立方程后, 得到了只需装配体测试自由度上的频响函数来辨识连接特性的迭代公式. 最后, 以若干算例说明了算法的具体流程. 对10自由度弹簧?质量块系统进行了数值仿真, 验证了所提方法的正确性及抗噪性; 对包含一处胶接连接的T形梁结构和包含两处螺栓连接的L形梁结构进行了试验, 所辨识连接结构与残余结构重组的装配体有限元模型计算的频响函数与测量值在较宽频带内吻合较好, 表明了该方法能有效识别实际装配体结构中的连接特性.      

基于谱分解的SINS传递对准可观测度分析方法

针对舰载武器捷联惯导系统的快速精确传递对准问题,对"速度+姿态"匹配进行了简化,给出"速度+航向"匹配的传递对准模型。在此基础上,提出了一种基于Hermite矩阵谱分解的可观测度分析方法,该方法仅需要对阶数与系统状态维数相同的Hermite矩阵进行谱分解,算法简单。最后,应用该方法分别对三种匹配(速度匹配、"速度+姿态"匹配和"速度+航向"匹配)的系统状态进行可观测度分析。仿真试验结果表明:基于谱分解的可观测度分析方法是正确有效的,"速度+航向"匹配的对准精度在10 s内优于4′,能够实现捷联惯导系统的快速精确传递对准。     

基于李群局部标架的多柔体系统动力学建模与计算

多柔体系统动力学主要研究由多个具有运动学约束、存在大范围相对运动的柔性部件构成的动力学系统的建模、计算和控制.多柔体系统不仅具有柔体大变形导致的几何非线性,更具有大范围刚体运动引起的几何非线性,其非线性程度远高于计算结构力学所研究的几何非线性问题.本文基于李群局部标架(local frame of Lie group, LFLG),讨论如何发展一套新的多柔体系统动力学建模和计算方法体系, 具体内容包括:基于局部标架的梁、板壳单元,适用于长时间历程计算的多柔体系统碰撞动力学积分算法,结合区域分解技术的大规模多柔体系统动力学并行求解器, 以及若干验证性算例.上述基于李群局部标架的方法体系可在计算中消除刚体运动带来的几何非线性问题,使柔体系统的广义惯性力、广义弹性力及其雅可比矩阵满足刚体运动的不变性,使多柔体系统动力学与大变形结构力学相互统一,有望推动新一代多柔体系统动力学建模和计算软件的发展.      

混凝土细观力学分析程序中的快速算法与并行算法设计

针对一套混凝土细观力学分析程序,在分析其计算方法与计算效率的不足之后,提出了采用稀疏矩阵与稀疏向量技术来高效实现有限元刚度矩阵装配过程的算法,并采用双门槛不完全Cholesky分解预条件技术与CG法相结合来高效地求解稀疏线性方程组。之后,从整体上提出了一个将有限单元分布与未知量分布有机结合的并行算法设计方案,并分别针对刚度矩阵装配、双门槛不完全Cholesky分解、稀疏矩阵与稠密向量相乘、稀疏向量相加等核心算法,进行了相应的并行算法设计。最后,在由每节点2 CPU的8个Intel Xeon节点采用千兆以太网连成的机群上,针对两个混凝土数值试样进行了数值实验,第一个试样含44117个网格点与53200个有限单元,第二个试样含71013个网格点与78800个有限单元;对第一个试样,原串行程序进行全程567次加载计算需要984.83小时约41天,采用文中串行算法后,模拟时间减少到22531秒约6.26小时,采用并行算法在16个CPU上的模拟时间进一步降为3860秒约1.07小时。对第二个试样,原串行程序进行全程94次加载计算需要467.19小时约19.5天,采用文中串行算法后,模拟时间减少到11453秒约3.18小时,采用并行算法在16个CPU上的模拟时间进一步降为1704秒约28.4分钟。串行算法的改进与并行算法的设计大大缩短了计算时间,对加快混凝土力学性能的分析研究具有重要意义。     

一种基于加速度频响函数的动力学模型修正方法

提出了一种基于加速度频响函数的动力学模型修正方法,该方法应用试验测量和计算所得的加速度频响函数矩阵对动力学模型的刚度矩阵、质量矩阵、阻尼系数进行修正,使修正后模型的加速度频响函数与试验测量所得的相一致．该法具有明确的物理意义,数值算例检验了方法的有效性和精度．     

用具有负定矩阵的梯度系统构造稳定的变质量力学系统

随着科学技术的发展,对喷气飞机、火箭等变质量系统动力学的研究显得越来越重要, 并且总是希望变质量系统的解是稳定的或渐近稳定的. 而通用的研究稳定性的Lyapunov直接法有很大难度, 因为直接从微分方程出发构造Lyapunov函数往往很难实现. 本文给出一种研究稳定性的间接方法, 即梯度系统方法. 该方法不但能揭示动力学系统的内在结构, 而且有助于探索系统的稳定性、渐进性和分岔等动力学行为. 梯度系统的函数V通常取为Lyapunov函数, 因此梯度系统比较适合用Lyapunov函数来研究. 列写出变质量完整力学系统的运动方程,在系统非奇异情形下,求得所有广义加速度. 提出一类具有负定矩阵的梯度系统, 并研究该梯度系统解的稳定性. 把这类梯度系统和变质量力学系统有机结合,给出变质量力学系统的解可以是稳定的或渐近稳定的条件, 进一步利用矩阵为负定非对称的梯度系统构造出一些解为稳定或渐近稳定的变质量力学系统. 通过具体例子,研究了变质量系统的单自由度运动,在怎样的质量变化规律、微粒分离速度和加力下,其解是稳定的或渐近稳定的. 本文的构造方法也适合其它类型的动力学系统.