机械系统摩擦动力学研究进展

摩擦环节对机械系统动力学行为有重要、甚至可能是关键的影响. 深入研究摩擦及摩擦动力学特点,对于解决机械系统中摩擦带来的不利影响, 发挥其有利作用, 是非常重要的. 本文介绍和评述了机械系统摩擦动力学的研究进展, 包括常用的摩擦模型及其特性, 摩擦系统自激振动、强迫振动和摩擦振动控制等. 除理论研究方法之外, 重点讨论了制动噪声振动、摩擦耗能和多领域摩擦振动控制等摩擦动力学的应用研究.     

运动副摩擦参数的识别方法研究

采用粘性 库仑摩擦模型建立了单自由度回转机械系统运动微分方程,分别从时域和频域角度提出了两种识别运动副摩擦参数的方法。仿真结果表明,两种方法在较高信噪比下均能有效地辨识出库仑摩擦和粘性摩擦参数,其中频域法比时域法具有更高的参数估计精度。对电机驱动的单自由度转动机械系统实验装置的运动副建立了相应的摩擦模型,实验结果表明:在不同试验条件下两种方法计算得到的库仑和粘性摩擦参数具有较好重复性,从而验证了本文参数辨识方法的正确性。     

分段光滑机械系统的动力学与控制

含间隙、约束、摩擦等分段光滑力学因素的机械系统在工程中极为普遍。本文总结了作者近年来对这类系统的建模，动响应计算，周期运动分叉，动力学设计与控制等方面的研究进展，然后，指出了若干值得研究的问题。     

无磨损摩擦的原子理论

对描述原子级光滑表面之间的无磨损界面摩擦的微观过程的2个理论模型进行了综述,探讨了Frenkel-Kontorova(FK)模型的非线性静态和动态性质的复杂性,根据FK模型,静态特性在很大程度上依赖于表面晶格常数间的公度性,而动态特性则可分为周期解、准周期解和混沌解加以讨论。     

基于动态神经元网络的激光陀螺输出误差模型

惯性敏感器误差补偿技术对提高武器装备的性能具有重要的意义,而误差补偿的关键在于误差模型的辨识。由于动态神经元网络是在前馈网络的节点引入前馈和反馈环节,理论上已证明其具有很强的动态逼近能力,可用来描述任意的非线性动态系统。根据惯性敏感器误差的动态特性,本探讨将动态神经元网络引入到激光陀螺误差建模中去,详细介绍了网络结构和对应的动态梯度算法。通过仿真算例说明,动态神经元网络在激光陀螺输出误差建模时具有一定的优点：网络收敛速度快、较好的跟踪性能、稳定性好。     

仿真转台伺服系统动态模型辨识与计算

仿真转台广泛应用于光电制导导引头及其对抗的仿真,对某型仿真转台进行高精度模型辨识可以有效提高系统的动态控制精度和设计效率。基于此,提出了一种转台伺服系统频率特性自动测试方法,根据测试数据采用参数递阶辨识方法分段拟合得到了被控对象的高精度传递函数模型。辨识结果与实测数据相比:在体现伺服系统重要特征的中低频段,幅度绝对误差1 d B,相位绝对误差2°;在高频段,得到了复杂的机械谐振环节特性,验证了被控对象传递函数模型的准确性。对于转台的动态精度计算,采用频率设计分析建模方法,结合被控对象高精度传递函数和实际校正环节模型得到了转台的动态精度计算模型,通过比较同一输入情况下实测动态误差与模型输出误差数据验证了模型准确性,结果表明了该方法的有效性。建立的动态精度计算模型能够反映实际系统的动态过程和动态误差变化规律,也为同类设备伺服系统的模型辨识和动态精度分析计算提供了方法。     

摩擦过程中真实接触面积的灰色分析

灰色系统理论是近几年以随机过程为研究对象而形成和发展起来的，在农业和自动控制等方面的研究与应用发展较快．为了使这种理论应用于摩擦学研究领域，从光全反射测量和计算机数值计算两方面，考察了粗糙表面接触时真实接触面积的随机特性，指出摩擦过程中的真实接触面积是一种含有随机成分的变化量，研究目标应当侧重于真实接触面积的变化趋势和范围，而不是它的精确解．在此基础上，首次利用灰色系统理论，分别对静态和动态接触条件下真实接触面积的变化规律进行了灰色分析，建立了精度比较高的预测真实接触面积的灰色模型ＣＭ（１，１）．这种模型对动、静接触面积的计算值与实测值具有良好的一致性，可以用于动态跟踪描述摩擦过程中真实接触面积的变化规律     

基于LuGre摩擦模型的接触约束法旋转柔性梁斜碰撞研究

基于接触约束法和LuGre摩擦模型对在重力场作用下作大范围旋转运动的柔性梁系统和斜坡发生含摩擦斜碰撞的动力学问题进行研究. 首先运用刚柔耦合的多体系统动力学理论对大范围运动的柔性梁进行离散化和动力学建模, 在碰撞时采用冲量动量法求出跳跃速度, 其次在法向上引入接触约束求解出碰撞力, 在切向上采用LuGre摩擦模型分两种方式求解摩擦力, 第一种是在滑动时摩擦力由摩擦系数和碰撞力计算得出, 黏滞状态下引入切向约束计算拉格朗日乘子反应实际摩擦力, 根据黏滞/滑动切换判断计算出碰撞过程摩擦力(与Coulomb摩擦模型计算摩擦力一致); 第二种根据LuGre摩擦模型摩擦系数和法向碰撞力计算其摩擦力, 从而在碰撞时无需黏滞/滑动切换, 采用相同的摩擦力计算公式. 通过与Coulomb摩擦模型对比发现, LuGre摩擦模型描述碰撞切向摩擦过程更精确, LuGre摩擦模型黏滞时建立约束方程和碰撞采用统一的摩擦力公式这两种建模方式描述的斜碰撞动力学特性没有区别, 进而说明采用法向接触约束和LuGre摩擦模型具有满足碰撞非嵌入情况、避免黏滞/滑动切换、描述摩擦力相对准确的优势.      

基于改进链码法的LuGre摩擦模型动态参数辨识

针对现有LuGre摩擦模型动态参数辨识方法辨识精度不高,收敛性难以保证及参数初值难以确定等不足,提出了一种基于改进链码特征识别法的参数辨识方法。首先,研究LuGre摩擦模型中两个动态参数-鬃毛刚度系数与阻尼系数之间的关系,以及鬃毛刚度系数与预滑动阶段位移-摩擦力曲线形状之间的对应关系;然后,改进现有Freeman链码的采样方式和码间距,利用改进的链码结合傅立叶描绘子提取位移-摩擦力曲线的形状特征并形成特征向量;最后,以加噪声原始位移-摩擦力曲线和仿真位移-摩擦力曲线的特征向量为参数建立度量两曲线相似程度的欧氏距离,寻优得到使欧氏距离满足给定误差的仿真位移-摩擦力曲线,该曲线对应的鬃毛刚度系数即为其辨识值,进一步可计算出阻尼系数。文末给出的辨识实例验证了提出方法的正确性和有效性。     

球形摩擦纳米波浪能发电机的多物理场耦合建模方法研究

球形摩擦纳米发电机因其对低频、高随机性的波浪能具有优异的捕获性能，日益受到波浪能研究者的青睐. 为了实现对其在特定波况条件下发电性能的定量研究，基于COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件，本文作者提出了一种针对球形摩擦纳米波浪能发电机的高保真多物理场耦合建模方法. 该模型可以兼顾准确性和高效性地模拟球形摩擦纳米发电机在特定波况下的多物理场耦合作用及电能输出情况，是对当前国内外普遍采用的基于静电场的静态仿真方法的发展和改进. 基于该方法，本研究针对四电极型的球形摩擦发电机进行了建模和性能研究，实现了从推板造波到电能输出的全过程、高保真、实时、定量仿真，为对其开展结构优化设计并最终走向实用化提供了一种有效手段.      

ANALYSIS OF FRICTION INDUCED VIBRATION UNDER THE ACTIVE DISTURBANCE REJECTION CONTROL FRAMEWORK 1)

自抗扰控制(active disturbance rejection control, ADRC)是一种具有两自由度控制结构的工程化方法, 由于其能够直观有效地处理多种扰动, 近些年来在许多机电系统上得到了成功应用. 当采用ADRC对带有摩擦力的机电系统进行调节时, 可能会产生极限环振动. 目前, 还没有ADRC框架下摩擦力振动精确分析的相关工作. 因此, 本文采用非线性动力学系统的分析工具对这一问题进行研究. 首先, 考虑两种典型摩擦力模型, 静态切换模型和动态LuGre 模型, 对一类二阶运动系统设计不同阶次的ADRC, 得到控制器的等效形式, 并揭示出与比例积分微分(proportional-integral-derivative, PID)控制之间的联系. 然后, 采用打靶法结合拟弧长延拓方法求解系统中的极限环, 并根据Floquet理论判断极限环的稳定性、可能出现的分岔以及分岔类型. 此外, 通过雅克比矩阵和近似数值方法对系统平衡点集的局部稳定性进行了分析. 最后, 通过数值计算研究了摩擦力模型和参数、ADRC阶次和参数对极限环和平衡点集的影响. 计算结果表明, 决定摩擦力Stribeck效应负斜率的参数$\beta$作用较大. 当$\beta>1$时, 两种摩擦力模型下的闭环系统呈现出相同的特性, 极限环会出现环面折叠分岔(cyclic fold bifurcation, CFB)且平衡点集是局部稳定的. 然而当$\beta<1$时, 两种闭环系统呈现出完全不同的特性. 此外, 不同阶次的ADRC在极限环的存在性和稳定性、平衡点集的稳定性上面的结论是相同的, 而低阶次的ADRC能够更好地解决摩擦力补偿和稳定鲁棒性之间的矛盾问题. 这些结论对实际现象的理解、ADRC阶次的选择以及参数整定提供了一定指导.     

空间可展机构非光滑力学模型和动力学研究

空间可展机构广泛应用于展开和支撑柔性太阳能帆板和航天工程领域中的有效载荷, 包括抛物面天线、平面相控阵雷达和合成孔径雷达等. 非光滑特性及其相应的动力学现象在空间可展机构的设计中有着非常重要的作用. 该文系统地综述了空间可展机构非光滑力学建模与非线性动力学的研究进展. 首先详细描述了含间隙铰链的接触碰撞力和摩擦力等非光滑特点;然后系统地介绍了含间隙机构的动力学建模方法、分析方法和参数设计;进一步简单介绍了含间隙铰链空间可展机构的非线性动力学特性, 如谐波共振、周期运动的稳定性和各类分岔等;最后提出了空间可展机构非光滑动力系统动力学、稳定性与控制中亟待解决的若干问题.     

Dynamics of finite element structural models with multiple unilateral constraints

Fast and accurate simulation of mechanical structures with complex geometry requires application of the finite element method. This leads frequently to models with a relatively large number of degrees of freedom, which may also possess non-linear properties. Things become more complicated for systems involving unilateral contact and friction. In classical structural dynamics approaches, such constraints are usually modeled by special contact elements. The characteristics of these elements must be selected in a delicate way, but even so the success of these methods cannot be guaranteed. This study presents a numerical methodology, which is suitable for determining dynamic response of large scale finite element models of mechanical systems with multiple unilateral constraints. The method developed is based on a proper combination of results from two classes of direct integration methodologies. The first one includes standard methods employed in determining dynamic response of structural models possessing smooth non-linearities. The second class of methods includes specialized methodologies that simulate the response of dynamical systems with unilateral constraints. The validity and effectiveness of the methodology developed is illustrated by numerical results.     

岩石某些力学参数的试验研究

本文对正长岩岩块进行了静态条件下的摩擦系数试验研究,并在振动台上进行了动态条件下摩擦系数的试验。试验结果表明静态条件下的静摩擦系数高于动态条件下的静摩擦系数。两种条件下的动摩擦系数的变化规律也有明显区别。     

弹簧-金属丝网橡胶组合减振器迟滞力学模型及实验研究

金属丝网橡胶材料是一种完全由金属丝编织成的多孔复合材料,与传统螺旋卷制金属橡胶材料相比,其改进了成型工艺,剔除了制备过程中大量的手工工艺干扰,提高机械化程度,重合度更高,拥有更稳定的力学性能.由于金属丝网橡胶材料具有承载能力高、阻尼大、耐高温、耐低温、耐老化、抗油抗腐蚀等优良特性,在很多方面强于传统橡胶,多用于航空航天、船舶、军事武器等军工工业.弹簧$\!$-$\!$-$\!$金属丝网橡胶组合减振器具有可设计刚度和较高承载能力,但因其具有复杂的非线性迟滞特性,目前相关材料的本构模型还难以准确描述其力学特性.本文在弹簧$\!$-$\!$-$\!$金属丝网橡胶组合减振器静态迟滞力学性能实验的基础上,结合其干摩擦阻尼迟滞特性,提出了一种迟滞力学性能理论模型.根据减振器迟滞实验恢复力$\!$-$\!$-$\!$位移曲线特点,利用参数分离的方法将迟滞曲线分解为弹性恢复力和干摩擦阻尼力,分别建模求解等效刚度和干摩擦阻尼系数,以此建立了组合减振器理论模型,并与实验结果进行对比及进行误差分析,验证了理论模型的准确性.      

自抗扰控制框架下的摩擦力振动分析

自抗扰控制(active disturbance rejection control, ADRC)是一种具有两自由度控制结构的工程化方法, 由于其能够直观有效地处理多种扰动, 近些年来在许多机电系统上得到了成功应用. 当采用ADRC对带有摩擦力的机电系统进行调节时, 可能会产生极限环振动. 目前, 还没有ADRC框架下摩擦力振动精确分析的相关工作. 因此, 本文采用非线性动力学系统的分析工具对这一问题进行研究. 首先, 考虑两种典型摩擦力模型, 静态切换模型和动态LuGre 模型, 对一类二阶运动系统设计不同阶次的ADRC, 得到控制器的等效形式, 并揭示出与比例积分微分(proportional-integral-derivative, PID)控制之间的联系. 然后, 采用打靶法结合拟弧长延拓方法求解系统中的极限环, 并根据Floquet理论判断极限环的稳定性、可能出现的分岔以及分岔类型. 此外, 通过雅克比矩阵和近似数值方法对系统平衡点集的局部稳定性进行了分析. 最后, 通过数值计算研究了摩擦力模型和参数、ADRC阶次和参数对极限环和平衡点集的影响. 计算结果表明, 决定摩擦力Stribeck效应负斜率的参数$\beta$作用较大. 当$\beta>1$时, 两种摩擦力模型下的闭环系统呈现出相同的特性, 极限环会出现环面折叠分岔(cyclic fold bifurcation, CFB)且平衡点集是局部稳定的. 然而当$\beta<1$时, 两种闭环系统呈现出完全不同的特性. 此外, 不同阶次的ADRC在极限环的存在性和稳定性、平衡点集的稳定性上面的结论是相同的, 而低阶次的ADRC能够更好地解决摩擦力补偿和稳定鲁棒性之间的矛盾问题. 这些结论对实际现象的理解、ADRC阶次的选择以及参数整定提供了一定指导.      

植物细胞力学模型研究进展

植物细胞在结构上具有特殊性, 即细胞壁和胞内物质在力学性质上差异很大. 因此其力学模型的研究具有特殊意义. 植物细胞力学模型是植物组织力学行为的研究基础, 是连接宏观与微观生物力学发展的桥梁, 在农业和食品加工等领域中有重要的潜在应用价值. 本文就目前国际上在细胞力学模型研究中所采用的模型形式和理论分析与数值模拟等方法做较全面而简要的介绍, 并对本领域中存在的现实问题加以论述, 希望能够对我国在细胞力学领域的研究有所帮助.      

Pantographic 2D sheets: Discussion of some numerical investigations and potential applications

The study of generalized continuum models through the numerical investigation of discrete systems considered as an approximation to a homogenized continuum limit is nowadays a well-known research approach in mechanics. In the present paper, a system constituted by a large number of beams interconnected via ideal hinges, called here a pantographic sheet, is considered, and some numerical simulations concerning the static and dynamic analysis of the system are presented and discussed. The observed behavior significantly differs from what one would expect from ordinary first gradient continuum models. Moreover, interesting application possibilities entailed by the specific characteristics of the structure, and in particular by the strong non-linear behavior of the mechanical variables, are discussed.