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.      

多柔体系统响应计算的子循环计算方法研究

过去近30年中,柔性多体系统动力学研究取得了巨大的进展,人们的兴趣集中在柔性多体系统建模、计算及实验研究等3个方面. Belytschko等于1979年提出的子循环算法已经成功地应用于结构动力响应的有限元计算中,然而有关柔性多体动力学的子循环算法研究尚未见报道. 该文提出了一种适合于柔性多体系统响应计算的中心差分类子循环算法,在将非线性微分-代数混合方程组(DAEs)缩并为纯微分方程组(ODE)的基础上,推导出快、慢变分量的同步更新公式和子步更新公式;在变量的数值积分过程中,采用能量平衡计算检查算法的稳定性;算例结果表明该算法可以在保持合适的精度要求下,有效地提高响应的计算效率;对积分步长进行摄动修正可以保持算法的稳定性.      

柔性多体系统动力学研究现状与展望

对柔性多体系统动力学的研究现状进行了概括和总结,主要从柔性体建模方法、刚柔耦合动力学、接触碰撞问题、多物理场耦合、微分代数方程求解技术、控制方法、设计优化及软件开发和实验研究等几个研究方向进行总结,并对未来的研究方向做了展望.     

柔性多体系统动力学的若干热点问题

全面综述了柔性多体系统动力学近年来的研究成果．对建模方法、模态选取及模态综合、动力刚化及柔性多体系统动力学中微分－代数方程的数值方法等研究热点进行了详细的阐述,并简要展望了柔性多体系统动力学今后的发展趋势      

柔性机械臂系统逆动力学及驱动规律的研究

研究了柔性机械臂系统的逆动力学问题及其联接铰驱规律。在柔性多体系统动力学单向递推组集建模方法的基础上,建立了树形及含闭环的柔性多体系统正逆动力学问题同时计算的等价公式。通过一空间机械臂的数值仿真,讨论了构件的柔性效应对系统的驱动力（矩）及实际运动规律的影响。     

动力刚化与多体系统刚—柔耦合动力学

首先指出当前柔性多体系统动力学的大量工程研究背景,在回顾柔性多体系统动力学研究进展后指出动力刚化的现象揭示了刚－柔耦合的零次建模方法的局限,认为进一步深入进行柔性多体系统刚－柔耦合动力学的研究是多体系统动力学研究的新阶段,文末提出了刚－柔耦合动力学的研究任务。     

弹性杆-刚性体系统动力学分析的广义逆矩阵方法

将多刚体系统的广义逆矩阵方法推广到含弹性杆与刚性体的混合系统的动力学分析中,建立了以节点坐标表示的基于全局惯性坐标系的刚体-柔性体混合系统动力学方程.首先以两端节点坐标为变量推导了弹性杆的动力学方程,以刚性体节点坐标为变量推导了刚性体节点速度约束方程和刚性体动力学方程,最后得到弹性杆与刚性体混合系统的动力学方程和速度约束方程.本方法在同一个惯性坐标系对刚柔多体系统进行描述,具有方法简洁、便于计算建模的特点.论文最后给出两个数值算例,检验了方法的有效性.     

柔性多体系统动力学实验研究综述

介绍了国内外柔性多体系统动力学实验研究现状,分为三个方面,即理论模型验证实验、动力学特性的实验研究和其它实验.柔性多体系统动力学建模理论的发展经历了3个阶段:运动-弹性动力学(KED)方法、传统混合坐标方法和计及了动力刚化效应的各种非线性理论.关于这些理论的模型验证实验均在本文中作了重点介绍.文中还对柔性多体系统动力学性态的研究实验也作了介绍,包括系统模态特性和共振等非线性力学行为.关于机械臂控制和碰撞研究实验虽有提及,但不作为重点.随后,着重介绍了柔性体弹性振动位移的测量和阻尼因素的处理这两个在实验不可避免但又难以解决的问题,尤其是结构阻尼和大范围运动引起的空气阻力.最后指出了今后的研究方向.文中对一些较为重要的实验装置也着重予以介绍,并给出了部分实验图片及数据曲线,以给读者一个更好的理解和参考.      

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。      

大变形柔性多体系统非线性动力学数值仿真与实验研究

提出了一种作大范围运动柔性梁的非接触动态测试技术.在基于位移的柔性多体系统几何精确建模及非线性有限元分析技术的基础上,利用EAGLE-500运动分析系统及其相应的分析软件对作大范围运动钛合金柔性梁作了实验研究,并且利用之前提出的几何精确梁理论进行数值仿真.数值仿真结果与实验结果完全吻合,验证了作者所提的几何精确梁理论及...     

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.      

柔性多体系统的递推组集建模与仿真软件的实现

简要地阐述多体系统动力学单向递推组集建模方法，介绍根据这种方法开发而成的仿真软件系统ＤＡＦＭＢ及它的功能与特点。通过双摆算例指出本文提出的模型在计算效率与计算精度方面优于笛卡尔坐标的微分－代数方程。     

柔性多体系统产生动力刚化原因的研究

传统的柔性多体系统建模理论由于对柔性体的变形及其与大范围运动产生惯性力之间的耦合处理得过于简单,所以在分析存在高速大范围运动柔性多体系统的动力学性态时会得到完全错误的结论。本文将通过对作大范围运动弹性薄板的讨论来揭示产生这种错误的及探讨对传统性多体系统建模理论作出改进的对策     

多柔体系统数值分析的模型降噪方法

多柔体系统的动力学方程通常是一组刚性微分方程, 目前普遍采用的刚性微分方程数值解法主要通过数值阻尼滤除系统响应中的高频分量, 其求解效率难以令人满意. 为了降低多柔体系统动力学方程的刚性, 从而可采用ODE45等常规微分方程求解器进行求解, 研究了在建模过程中滤除高频振荡分量的方法. 在以当前时刻为起点的短时间内对柔性体的应力进行均匀化, 用均匀化后的应力计算柔性体的变形虚功率, 由此得到的系统动力学方程的解中不含过高频率的弹性振动, 并且可以通过调节均匀化时间区间的长度参数控制滤波的范围. 数值算例表明: 这种模型降噪方法的计算效率和精度均不低于刚性微分方程求解器, 并且在刚性微分方程求解器失效的情况下模型降噪方法仍有良好的精度和效率. 本文所提的模型降噪方法可成为求解多柔体系统动力学方程的新途径.      

Modal Representation of Stress in Flexible Multibody Simulation

An application of the floating frame of reference formulation together with the nodal approach using quasi-comparison functions as shape functions allows an efficient analysis of stress in the flexible bodies of a multibody system. This is demonstrated using two simple examples. They are chosen to demonstrate the effects of various choices of shape functions and associated body reference frames. In the floating frame of reference formulation the equations of motion are linearized assuming the deformations to be small. The quasi-comparison functions, i.e. shape functions, can be selected in ways to increase the range of validity of the linearized equations of motion. The latter goal is achieved as well by so-called substructuring techniques. Combining both of the methodologies, one obtains efficient models for flexible multibody simulation.