三相驱动下非光滑振动驱动系统的动力学分析

可移动式机器人已成为机器人研究领域的重要分支,为实现其在狭小特殊环境中的运动, 学者们提出并研究了振动驱动移动系统.本文基于二维LuGre摩擦模型和拉格朗日方程,给出了一类振动驱动系统在各向同性摩擦环境中的动力学建模方法和数值算法.这类振动驱动系统结构简单且密封性好,依靠箱体与地面间的摩擦力实现自身的定向运动.该系统由一个外部箱体和两个内部质量块构成,两个质量块在箱体内的两个平行轨道上作三相振动驱动,箱体通过三个刚性支撑足与地面保持接触. 二维LuGre摩擦模型的利用,可有效避免库伦摩擦模型的不连续性给动力学方程的数值求解带来的困难,且可有效揭示该系统在运动过程中的黏滞-滑移切换现象. 数值仿真结果表明,通过调整其内部质量块的驱动参数,可实现箱体的直线平移、定轴转动和平面一般运动,且箱体在移动和转动过程中会出现擦滑、穿滑、回滑和不黏等4种现象; 另外,通过调节驱动参数, 不仅可以改变箱体移动和转动的快慢,还可以改变箱体形心运动轨迹的曲率半径.      

双频激励下Filippov系统的非光滑簇发振荡机理

旨在揭示含双频周期激励的不同尺度Filippov系统的非光滑簇发振荡模式及分岔机制. 以Duffing和Van der Pol耦合振子作为动力系统模型,引入周期变化的双频激励项,当两激励频率与固有频率存在量级差时,将两周期激励项表示为可以作为一慢变参数的单一周期激励项的代数表达式,给出了当保持外部激励频率不变,改变参数激励频率的情况下,快子系统随慢变参数变化的平衡曲线及因系统出现的fold分岔或Hopf分岔导致的系统分岔行为的演化机制.结合转换相图和由Hopf分岔产生稳定极限环的演化过程,得到了由慢变参数确定的同宿分岔、多滑分岔的临界情形及因慢变参数改变而出现的混合振荡模式,并详细阐述了系统的簇发振荡机制和非光滑动力学行为特性.通过对比两种不同情形下的平衡曲线及分岔图,指出虽然系统有相似的平衡曲线结构, 却因参数激励频率取值的不同,致使平衡曲线发生了更多的曲折,对应的极值点的个数也有所改变,并通过数值模拟, 对结果进行了验证.      

双频激励下Filippov系统的非光滑簇发振荡机理

旨在揭示含双频周期激励的不同尺度Filippov系统的非光滑簇发振荡模式及分岔机制.以Duffing和Van der Pol耦合振子作为动力系统模型,引入周期变化的双频激励项,当两激励频率与固有频率存在量级差时,将两周期激励项表示为可以作为一慢变参数的单一周期激励项的代数表达式,给出了当保持外部激励频率不变,改变参数激励频率的情况下,快子系统随慢变参数变化的平衡曲线及因系统出现的fold分岔或Hopf分岔导致的系统分岔行为的演化机制.结合转换相图和由Hopf分岔产生稳定极限环的演化过程,得到了由慢变参数确定的同宿分岔、多滑分岔的临界情形及因慢变参数改变而出现的混合振荡模式,并详细阐述了系统的簇发振荡机制和非光滑动力学行为特性.通过对比两种不同情形下的平衡曲线及分岔图,指出虽然系统有相似的平衡曲线结构,却因参数激励频率取值的不同,致使平衡曲线发生了更多的曲折,对应的极值点的个数也有所改变,并通过数值模拟,对结果进行了验证.     

KINETICS ANALYSIS OF NON-SMOOTH VIBRATION-DRIVEN SYSTEM WITH THREE-PHASE CONTROL 1)

可移动式机器人已成为机器人研究领域的重要分支,为实现其在狭小特殊环境中的运动, 学者们提出并研究了振动驱动移动系统.本文基于二维LuGre摩擦模型和拉格朗日方程,给出了一类振动驱动系统在各向同性摩擦环境中的动力学建模方法和数值算法.这类振动驱动系统结构简单且密封性好,依靠箱体与地面间的摩擦力实现自身的定向运动.该系统由一个外部箱体和两个内部质量块构成,两个质量块在箱体内的两个平行轨道上作三相振动驱动,箱体通过三个刚性支撑足与地面保持接触. 二维LuGre摩擦模型的利用,可有效避免库伦摩擦模型的不连续性给动力学方程的数值求解带来的困难,且可有效揭示该系统在运动过程中的黏滞-滑移切换现象. 数值仿真结果表明,通过调整其内部质量块的驱动参数,可实现箱体的直线平移、定轴转动和平面一般运动,且箱体在移动和转动过程中会出现擦滑、穿滑、回滑和不黏等4种现象; 另外,通过调节驱动参数, 不仅可以改变箱体移动和转动的快慢,还可以改变箱体形心运动轨迹的曲率半径.     

振动驱动移动系统平面避障运动分析

近年来,工业机器人的应用领域日益广泛,可移动机器人的发展备受关注,为了在一些复杂环境中准确地完成作业,学者们提出并研究了振动驱动移动系统.本文研究了在各向异性黏性摩擦环境中一类有两个在平行轨道内做正弦运动的内部质量块的振动驱动移动系统的运动规律,提出了使系统完成包括避障等规定作业的驱动设计方法.首先利用第二类拉格朗日方程,建立了系统的动力学方程;然后,利用速度Verlet积分法分析了系统的运动规律,得到了内部驱动参数与系统运动轨迹、运动速度的关系;最后,结合振动驱动移动系统的运动规律,提出了使系统沿预设路径运动和实现避障运动的驱动设计方法.通过曲线离散得到了系统沿预设路径运动的移动轨迹,进而通过改变内部质量块的驱动参数,使系统沿预设路径运动.为了使移动系统在障碍物环境中达到目标位置,提出了结合栅格法,Floyd算法及最小顶点圆法的优化的路径规划计算方法,得到了振动驱动移动系统在障碍物环境中运动的最优路径,并通过改变内部质量块的驱动参数实现了移动系统的避障运动.     

一类两自由度干摩擦系统倍化分岔与混沌的数值模拟

本文利用Runge-Kutta数值积分法对一类两自由度干摩擦系统进行了数值仿真.文中列出了该系统中质块与传送带间处于黏附与滑移两种不同状态时质块的运动方程,同时给出了两种状态间的转换条件,在此基础上对系统进行数值模拟.通过不断变化传送带的速度对该系统的动力行为进行了分析,证实此系统存在稳定的周期运动及倍化分岔,得到了该系统周期运动的倍化分岔通向混沌的路径.对此系统分岔与混沌行为的研究为生产实践中的干摩擦现象的优化配置提供了理论依据.     

两自由度的Burridge-Knopoff模型的一种近似分析方法

Burridge-Knopoff模型是速度驱动的多质量的质量弹簧系统.它是用来进行地震机理研究的一种摩擦动力系统的模型.本文考查了具有两个自由度的Burridge-Knopoff模型的摩擦激振问题.摩擦的不光滑性给系统的求解带来了很大的困难.又系统带有两个摩擦接触面,运动情况更加复杂.本文通过对摩擦力取平均的方法,得到了系统在各个运动形式下的通解,采用半解析的方法对此两自由度的系统进行了研究.通过以上方法,给出了一种周期运动的具体运动形式以及位移和速度的时程关系;并且发现在不同驱动速度的情况下,随着驱动速度的增大,系统的运动形式存在简单和复杂交替出现的现象,并给出了不同系统参数下的分岔图.     

磁场中轴向运动条形板强非线性超谐共振及混沌运动

针对磁场环境中周期外载作用下轴向运动导电条形板的非线性振动及混沌运动问题进行研究。应用改进多尺度法对横向磁场中条形板的强非线性振动问题进行求解,得到超谐波共振下系统的分岔响应方程。根据奇异性理论对非线性动力学系统的普适开折进行分析,求得含两个开折参数的转迁集及对应区域的拓扑结构分岔图。通过数值算例,分别得到以磁感应强度、轴向拉力、激励力幅值和激励频率为分岔控制参数的分岔图和最大李雅普诺夫指数图,以及反映不同运动行为区域的动力学响应图形,讨论分岔参数对系统呈现的倍周期和混沌运动的影响。结果表明,可通过相应参数的改变实现对系统复杂动力学行为的控制。     

冲击渐进振动系统相邻基本振动的转迁规律

冲击振动现象广泛存在于动力机械系统中,使得系统表现出复杂的动力学响应.目前对冲击振动系统的p/1类基本振动的稳定性及分岔研究报道较少,而且已有的对冲击振动系统动力学的研究基本都是基于单参数分岔进行分析的.研究以小型振动冲击式打桩机为工程背景,建立了冲击渐进振动系统的力学模型.分析了激振器和缓冲垫发生碰撞的类型,以及滑块渐进运动的条件.给出了系统可能呈现的四种运动状态的判断条件和运动微分方程.通过二维参数分岔分析得到系统在(ω,l)参数平面内存在的各类周期振动的参数域和分布规律.详细分析了相邻p/1类基本振动的转迁规律.在5/1基本振动的参数域的右边区域,相邻p/1基本振动的参数域临界线上存在一个奇异点X_p,相邻p/1类基本振动的分岔特点以奇异点X_p为临界点.在l小于l_X_p的区域内,相邻p/1基本振动经实擦边分岔和鞍结分岔相互转迁,实擦边分岔线和鞍结分岔线之间存在迟滞域,迟滞域内,系统存在两个周期吸引子共存的现象.在l大于l_X_p的区域内,相邻p/l类基本振动的参数域之间存在一个中间过渡区域.中间过渡区域内,系统呈现(2p+2)/2和(2p+1)/2周期振动等.在5/1基本振动的参数域的左边区域,p/1基本振动经多重滑移分岔产生(P+1)/1基本振动.     

伴随变阻尼作用的干摩擦下的车辆系统非线性动力学分析

对分段线性阻尼和干摩擦共同作用下的车辆悬挂系统进行了非线性动力学分析研究，阐述了判定系统周期运动稳定性的理论方法；利用数值模拟方法分析了具有不同阻尼参数组合的系统对简谐激励的振动响应，并分析了由干摩擦引起的粘-滑振动行为．结果表明：提高摩擦力对抑制响应有利，但车辆系统在低速下运行时会出现复杂的粘-滑振动，轮轨之间产生较大的瞬时刚性冲击；而通过增加轮对与侧架的弹性悬挂可以有效减弱这种瞬时刚性冲击．     

三相驱动下含两质量块刚体的平面运动

本文研究了一类含两个质量块的振动驱动系统在粘性摩擦下的平面运动,其中两个内部质量在相互垂直的水平槽道上作三相运动。利用第二类拉格朗日方程,建立了系统的动力学方程;其次,利用系统直线运动时的理论解,验证速度Verlet积分法的可靠性;利用这种算法分析了系统的平面运动,得到了内部驱动参数与系统运动轨迹、运动速度的关系;然后,基于数值分析结果,通过调节内部驱动参数,得到了系统在不同轨迹间的六种转换形式;最后,通过组合不同的转换形式,得到了曲率连续变化的平面运动路径。     

非线性转子-机匣系统的分岔行为研究

建立了一类非线性转子-机匣系统的碰摩模型.应用数值分析的方法对其进行研究,得到了不同参数变化下系统响应随转速变化的分岔图,分析了系统参数变化对分岔过程的影响,并作出了在相应参数状态和特定转速下的Poincare截面图,揭示系统参数变化对非线性碰摩转子-机匣系统分岔特性的影响.     

Analytical investigation of stick-slip motions in coupled brake-driveline systems

In this paper, we investigate the brake creep-groan problem by formulating the issues in terms of two dynamic sub-systems that are coupled at the friction interface, and thus, experience stick-slip motions. Thorough examination of the nature of discontinuous solutions using numerical methods is a useful prelude to analytical studies. We examine such dynamics through parametric studies for magnitude and rate of brake release, where the vehicle is initially at rest and under low constant drive torque. Dependency on the initial conditions and solution flow before reaching the orbit will thus be illustrated. Four types of motions (one steady sliding and three stick-slip) are found based on extensive studies. Our formulation and analysis should lead to a better understanding of the brake groan phenomenon and systems coupled by interfacial friction.     

Piecewise analysis of oblique vibro-impacting systems

A great number of studies have shown the complex nonlinear dynamics of mechanical systems with repeated normal impacts. An oblique frictional impact introduces even more complicated dynamics such as stick-slip motions to those systems. Hence, the dynamics of oblique vibro-impacting systems with possible sliding motion is an open problem. Based on a hybrid analysis of vibro-impact dynamics, kinematics and complementary conditions, a piecewise analysis method is developed in the paper to describe the sliding motion during an oblique impact. Thereby, a parametrically excited planar pendulum between two parallel rigid walls is studied as an illustrative example. The example, together with the corresponding numerical results, shows that the sliding impacts occur in such a system with a set of properly selected parameters. The project supported by the National Natural Science Foundation of China (59905010) and by the Scientific Research Foundation for the Returned Overseas Chinese Scholars, Ministry of Education, China     

一种确定非线性裂纹转子解的形式的新方法

将小波变换与Ｐｏｉｎｃａｒｅ映射相结合，即用Ｐｏｉｎｃａｒｅ映射确定周期解，用谐波小波变换区分拟周期响应和混沌运动，提出了一种分析非线性裂纹转子系统解的形式随参数变化的新方法．结果表明这种方法是非常有效的，它比以前所用的计算Ｌｉａｐｕｎｏｖ指数的方法节约了计算时间，并且较易实施．     

Nonlinear motions of a flexible rotor with a drill bit: stick-slip and delay effects

In this article, a discrete model of a drill-string system is developed taking into account stick-slip and time-delay aspects, and this model is used to study the nonlinear motions of this system. The model has eight degrees-of-freedom and allows for axial, torsional, and lateral dynamics of both the drill pipes and the bottom-hole assembly. Nonlinearities that arise due to dry friction, loss of contact, and collisions are considered in the development. State variable dependent time delays associated with axial and lateral cutting actions of the drill bit are introduced in the model. Based on this original model, numerical studies are carried out for different drilling operations. The results show that the motions can be self-exited through stick-slip friction and time-delay effects. Parametric studies are carried out for different ranges of friction and simulations reveal that when the drill pipe undergoes relative sticking motion phases, the drill-bit motion is suppressed by absolute sticking. Furthermore, the sticking phases observed in this work are longer than those reported in previous studies and the whirling state of the drill pipe periodically alternates between the sticking and slipping phases. When the drive speed is used as a control parameter, it is observed that the system exhibits aperiodic dynamics. The system response stability is seen to be largely dependent upon the driving speed. The discretized model presented here along with the related studies on nonlinear motions of the system can serve as a basis for choosing operational parameters in practical drilling operations.