区域稳定动力学研究(一)——理论与方法体系

将区域稳定工程地质学推进到区域稳定动力学的研究层次上, 系统地构建了区域表层稳定动力学、区域浅层稳定动力学、区域深层稳定动力学、区域活动构造动力学、区域地震动力学、区域非稳定动力学过程及机制模式, 以及区域非稳定动力学环境下的地震工程效应、岩体失稳效应、场地失稳效应及建筑物抗断效应的综合研究及分析评价的区域稳定动力学研究的理论体系与方法体系。     

多柔体系统动力学建模与优化研究进展

多柔体系统是由柔性部件和运动副组成的力学系统,在航空、航天、车辆、机械与兵器等众多工程领域具有广泛的应用前景, 其典型的代表包括柔性机械臂、直升机旋翼、卫星的可展开天线、太阳帆航天器等. 近年来,随着工程技术的发展,多柔体系统动力学问题日益突出,尤其是含变长度柔性部件的多柔体系统,不仅涉及其动力学 建模与计算,还涉及其动力学优化设计. 事实上,部件柔性对多柔体系统的动力学行为影响很大,直接影响到优化结果,因此需要发展基于多柔体系统动力学的优化设计方法. 本文首先阐述了多柔体系统动力学优化的研究背景及意义,简要回顾了多柔体系统动力学建模的3类方法:浮动坐标方法、几何 精确方法和绝对节点坐标方法,并介绍了含变长度柔性部件的多柔体系统动力学建模方法. 系统概述了多柔体系统动力学响应优化、动力学特性优化和动力学灵敏度分析3个方面的研究进展,并从尺寸优化、形状优化和 拓扑优化 3 个方面综述了多柔体系统部件优化的研究进展. 本文最后提出了在多柔体系统动力学优化研究中值得关注的若干问题.      

柔性多体系统动力学绝对节点坐标方法研究进展

阐述了多体系统动力学理论的研究背景,指出了多种传统的柔性多体系统动力学研究方法的不足.系统地从4个方面回顾了柔性多体系统动力学绝对节点坐标方法诞生十几年以来的研究进展,即:单元研究进展、系统动力学方程求解数值算法研究进展、非线性材料多体系统动力学研究进展以及相关的应用研究进展.最后提出了值得进一步研究的问题.      

多柔体系统动力学建模与优化研究进展

多柔体系统是由柔性部件和运动副组成的力学系统,在航空、航天、车辆、机械与兵器等众多工程领域具有广泛的应用前景,其典型的代表包括柔性机械臂、直升机旋翼、卫星的可展开天线、太阳帆航天器等.近年来,随着工程技术的发展,多柔体系统动力学问题日益突出,尤其是含变长度柔性部件的多柔体系统,不仅涉及其动力学建模与计算,还涉及其动力学优化设计.事实上,部件柔性对多柔体系统的动力学行为影响很大,直接影响到优化结果,因此需要发展基于多柔体系统动力学的优化设计方法.本文首先阐述了多柔体系统动力学优化的研究背景及意义,简要回顾了多柔体系统动力学建模的3类方法:浮动坐标方法、几何精确方法和绝对节点坐标方法,并介绍了含变长度柔性部件的多柔体系统动力学建模方法.系统概述了多柔体系统动力学响应优化、动力学特性优化和动力学灵敏度分析3个方面的研究进展,并从尺寸优化、形状优化和拓扑优化3个方面综述了多柔体系统部件优化的研究进展.本文最后提出了在多柔体系统动力学优化研究中值得关注的若干问题.     

多体系统传递矩阵法研究进展

作为一种多体系统动力学新方法, 多体系统传递矩阵法由于其无需系统总体动力学方程和快速计算的特点, 已被广泛用于各种多管火箭、自行火炮、舰炮等复杂大型机械系统动力学分析与设计. 本文介绍了该方法的研究进展, 包括: 线性多体系统传递矩阵法、多体系统离散时间传递矩阵法、二维系统传递矩阵法、受控多体系统传递矩阵法、多体系统传递矩阵法和通常动力学方法的混合方法等, 给出了该方法解决自行火炮、多管火箭武器多体系统动力学的重大工程应用实例.      

折叠翼飞行器的动力学建模与稳定控制

折叠翼飞行器在变形过程中,其动力学模型呈现多刚体、多自由度和强非线性特点,同时气动力/力矩、压心、质心和转动惯量等参数也会大幅度变化,严重影响飞行稳定性. 由此,本论文将对飞行器的多刚体动力学建模与变形稳定控制进行研究.基于凯恩方法建立了折叠翼飞行器的多刚体动力学模型,并从中得到了变形所产生的附加力和力矩表达式.通过气动计算拟合出气动参数与折叠角之间的函数关系,由此分析了不同折叠角速度下飞行器的纵向动态特性, 结果表明,折叠翼飞行器变形过程中速度、高度和俯仰角均会发生变化,飞行器无法保持稳定飞行.为此提出了一种基于自抗扰理论的飞行器变形过程中的稳定控制方法.将折叠翼飞行器纵向非线性动力学模型中存在的非线性项、耦合项以及参数时变项都视为系统内外总扰动,利用扩张状态观测器对总扰动进行实时估计和补偿, 针对补偿后的系统设计PD控制器,实现了速度通道和高度通道的解耦控制.通过Lyapunov稳定性原理证明了系统的稳定性, 并进行数学仿真验证. 仿真结果表明,基于自抗扰理论设计的稳定控制器能够解决飞行器变形所带来的强非线性和参数时变等问题,保证飞行器的高精度稳定控制.      

浮台多向运动对水下锚索共振响应影响研究

在复杂的海洋环境中,上部浮式结构受到波、浪、流共同作用,会产生多个方向的运动,进而诱发水下锚索产生复杂的动力学行为,影响海洋工程结构的安全性和稳定性．本文考虑水下锚索垂度效应所带来的二次非线性效应,探究上部浮台纵荡和垂荡运动对水下锚索振动响应的影响．建立上部浮台多方向运动影响下水下锚索的动力学模型,推导其运动微分方程,并采用多尺度法对运动微分方程开展近似分析以及稳定性分析．研究结果表明：系统的共振响应随着垂荡位移的增加而增加,随着垂跨比的增加而减小;随着垂荡位移的增加,系统越发容易失去稳定性;随着倾角和初始张力的变化,系统的不稳定区域也会发生定性和定量的改变;与仅考虑参激作用的情况相比,参强联合作用时水下锚索的振动响应幅值会增加．     

柔性多体系统刚-柔耦合动力学

首先指出大量复杂系统动力学与控制性态分析与优化等工程问题对柔性多体系统动力学领域的进一步需求,在回顾柔性多体系统动力学研究的若干阶段与当前的研究现状后指出:柔性多体系统刚- 柔耦合动力学的研究是多体系统动力学的一个新的阶段．文末提出了刚- 柔耦合动力学的研究任务。      

复合柔性结构全局模态函数提取与状态空间模型构建

随着航空航天等领域中实际工程结构的大型化和柔性化,结构的非线性振动和主动振动控制问题越来越凸显.分析和处理此类结构出现的复杂振动问题的关键在于建立系统的非线性动力学模型与状态空间模型.对于由柔性部件、刚体、连接部件构成的复合柔性结构,由于各部件之间的振动耦合效应,单个柔性部件在悬臂、简支和自由等静定边界下的模态与结构的真实模态有较大差异.为此,本文提出复合柔性结构全局模态的解析提取方法,通过全局模态离散得到系统非线性动力学模型,从而构建状态空间模型.该方法采用笛卡尔坐标描述系统的运动,建立系统的运动方程;结合描述柔性部件的偏微分方程、刚体的常微分运动方程、连接界面处力、力矩、位移和转角的匹配条件以及系统的边界条件,利用分离变量法给出统一形式的频率方程,获取系统的固有频率和解析函数表征的全局模态.这里提出的全局模态提取方法不仅便于复合柔性结构固有频率和全局模态的参数化分析,而且为建立复合柔性结构低维非线性动力学模型和状态空间模型提供了有效的途径,对于推进这类结构的非线性动力学分析与主动振动控制研究具有重要意义.      

多柔体系统碰撞动力学研究综述

多柔体系统碰撞动力学研究具有重要的研究价值和工程实际意义,本文针对多柔体系统碰撞动力学研究中的几个基本问题进行了全面的分析和评述,其中包括多柔体系统动力学方程的描述、碰撞模型的建立、铰接间隙引起的碰撞问题、数值算法、实验研究、控制等几个方面,并根据目前的发展现状和研究中存在的问题,指出了今后多柔体系统动力学碰撞研究中的发展方向      

Theory of nonlinear dynamic stability for composite laminated plates

In this paper,the general equations of dynamic stability for composite laminatedplates are derived by Hamilton principle.These general equations can be used to considerthose different factors that affect the dynamic stability of laminated plates.The factors aretransverse shear deformation,initial imperfections,longitudinal and rotational inertia,andply-angle of the fiber,etc.The solutions of the fundamental equations show that someimportant characteristics of the dynamic instability can only be got by the considerationand analysis of those factors     

具有局部非线性动力系统周期解及稳定性方法

对于具有局部非线性的多自由度动力系统，提出一种分析周期解的稳定性及其分岔的方法该方法基于模态综合技术，将线性自由度转换到模态空间中，并对其进行缩减，而非线性自由度仍保留在物理空间中在分析缩减后系统的动力特性时，基于Ｎｅｗｍａｒｋ法的预估－校正－局部迭代的求解方法，与Ｐｏｉｎｃａｒé映射法相结合，推导出一种确定周期解，并使用Ｆｌｏｑｕｅｔ乘子判定其稳定性及分岔的方法     

Research of giant magnetostrictive actuator’s nonlinear dynamic behaviours

The multi-coupled nonlinear factors existing in the giant magnetostrictive actuator (GMA) have a serious impact on its output characteristics. If the structural parameters are not properly designed, it is easy to fall into the nonlinear instability, which has seriously hindered its application in many important fields. The electric–magnetic-machine coupled dynamic mathematical model for GMA is established according to J-A dynamic hysteresis model, ampere circuit law, nonlinear quadratic domain model and structure dynamics equation. Nonlinear dynamic analysis method is applied to study the nonlinear dynamic behaviour of the key structure parameters to reveal their influence on the system stability. The design principle of structural parameters is obtained by studying stability of GMA, which provides theoretical basis and technical support for the structural stability design.     

Dymamics of a rotating flexible manipulator with tip load

The dynamics of a flexible manipulator is investigated in this paper. From the point of view of dynamic blance, the motion equations of a rotating beam with tip load are established by using Hamilton's principle. By taking into account the effects of dynamic stiffening and dynamic softening, the stability of the system is proved by employing Lyapunov's approach. Furthermore, the method of power series is proposed to find the exact solution of the eigenvalue problem. The effects of rotating speed and tip load on the vibration behavior of the flexible manipulator are shown in numerical results. Supported by National Natural Science Foundation. of China     

非线性时滞动力系统的研究进展

具有时滞的动力系统广泛存在于各工程领域．本文从动力学角度对时滞动力系统的研究进展作一综述,内容包括时滞动力系统的特点、研究方法、动力学热点问题的研究进展等．由于时滞动力系统的演化趋势不仅依赖于系统的当前状态,还依赖于系统过去某一时刻或若干时刻的状态,其运动方程要用泛国微分方程来描述,解空间是无穷维的．即使系统中的时滞非常小,在许多情况下也不能忽略不计．对于非线性时滞常微分方程,目前的研究思路基本上与常微分方程系统理论相平行．主要研究方法可分为时域法和频域法,前者包括Ｔａｙｌｏｒ级数法,中心流形法,Ｐｏｉｎｃａｒｅ映射法等,后者包括Ｎｙｑｕｉｓｔ法等．目前对这类系统的动力学研究主要集中在稳定性、Ｈｏｐｆ分岔、混沌等方面．研究表明：时滞动力系统具有非常丰富和复杂的动力学行为,如单变量的一维非线性时滞动力系统可发生混沌现象,与用常微分方程描述的系统有本质性差别．另一方面,人们可巧妙地利用时滞来控制动力系统的行为,如时滞反馈控制是控制混饨的主要方法之一．最后,本文展望了存在的一些问题以及近期值得关注的研究．     

结构随机动力稳定性的定量分析方法

提出了结构随机动力稳定性的定量分析方法,讨论了经典的随机动力稳定性概念,指出结构动力稳定性不仅与结构参数有关,也与作用在结构上的外部载荷密切相关,据此引入了一种判定结构动力稳定性的新准则,明确了结构随机动力稳定性的基本涵义.在概率守恒原理基础上,推导了概率耗散系统的广义概率密度演化方程.引入结构动力失稳的物理机制作为引起概率耗散的驱动力,利用概率耗散系统概率密度演化方程、可以方便获得结构响应的概率密度演化过程,从而定量求解结构的动力稳定概率.据此,可以定量评价结构系统依概率为1或依给定概率意义上的结构随机动力稳定性.采用本文所建议方法对典型结构动力系统进行了随机动力稳定性分析,并与蒙特卡洛方法计算结果进行对比.数值结果表明了所建议方法的有效性.      

齿轮－转子－滑动轴承系统时变非线性动力特性研究

本文应用求周期解的数值计算方法─—打靶法和判定周期解稳定性的Ｆｌｏｑｕｅｔ乘子研究了齿轮－转子－滑动轴承系统中齿轮啮合时变刚度，滑动轴承非线性特性对转子系统不平衡响应和失稳的影响，并比较了平衡位置失稳和不平衡响应周期解失稳，以及按双轴计算与单轴计算结果的差别，为工程设计理论计算提供基础。     

Dynamic analysis of rotating flexible disk subjected to double slider loading systems

Rotating disk subjected to stationary slider loading system is a very common mechanical structure. This paper investigates the multibody dynamics of a rotating flexible annular thin disk subjected to double slider loading systems. Along the rotating disk radial and circumferential directions, two stationary slider loading systems are distributed. System dynamic model is solved by Galerkin's method, and then natural frequency, dynamic stability and mode shape are determined with a quadratic eigenvalue problem. Effects of the distributing positions and interaction mechanism of the double slider loading systems on natural frequency, dynamic stability and mode shape are discussed and investigated.     

Forward and inverse dynamics of nonholonomic mechanical systems

This paper deals with the forward and the inverse dynamic problems of mechanical systems subjected to nonholonomic constraints. The intrinsically dual nature of these two problems is identified and utilised to develop a systematic approach to formulate and solve them according to an unified framework. The proposed methodology is based on the fundamental equations of constrained motion which derive from Gauss’s principle of least constraint. The main advantage arising from using the fundamental equations of constrained motion is that they represent an effective method capable to derive the generalised acceleration of a mechanical system, constrained in general by a set of nonholonomic constraints, together with the generalized constraint forces (forward dynamics). When the constraint equations are used to represent the desired behaviour of the mechanical system under study, the generalised constraint forces deriving from the fundamental equations of constrained motion provide the control actions which reproduce the specified motion for the system (inverse dynamics). This approach is systematically extended to underactuated mechanical systems introducing a new method named underactuation equivalence principle. The underactuation equivalence principle is founded on the key idea that the underactuation property of a mechanical system can be mathematically represented using a particular set of nonholonomic constraint equations. Two simple case-studies are reported to exemplify the proposed methodology. In the first case-study the computation of the generalised constraint forces relative to the revolute joint constraints of a physical pendulum is illustrated. In the second case-study the calculation of the control action which solves the swing-up problem for an inverted pendulum is described.