日地系统L_2点Halo轨道绳系卫星编队动力学

研究平动点附近周期轨道上旋转多体绳系卫星编队系统的非线性耦合动力学问题。编队系统为各卫星质量接近的轮辐状结构,位于日地系统第二平动点附近,整个系统的旋转保持系绳处于张紧状态,建立Hill限制性三体问题的绳系编队系统动力学模型。针对处于留位阶段的典型对称三星编队,在位于较大Halo轨道上无控制力作用的情况下,进行母卫星轨道运动与系绳摆动耦合运动的动力学模拟,分析轨道方向、卫星质量比、系绳长度以及初始旋转速度对编队系统整体稳定性的影响。     

大型液体火箭姿控与跷振大回路耦合动力学建模与分析

大型液体火箭结构模态的空间化分布特征导致结构振动、姿态运动和推进系统液路脉动存在相互耦合,进而影响传统姿控回路的稳定性. 针对大型液体火箭, 充分考虑姿态控制系统对箭体姿态动力学和弹性振动的影响, 以及箭体结构弹性振动与推进系统的耦合作用(跷振(POGO)), 建立了姿控与跷振大回路耦合模型. 该模型包含了推进系统、结构系统与姿控系统之间的耦合因素, 可进行姿控-结构-推进大回路耦合机理研究. 该模型具有非奇异的优点, 可以直接用于频域分析和时域仿真. 基于该模型研究了我国某型号液体捆绑火箭推进系统参数——泵增益和蓄压器能量值对姿态运动与结构振动稳定性的影响. 研究得出, 泵增益和蓄压器能量值的变化不仅导致了结构振动的不稳定, 而且也导致了姿态运动的发散. 因此, 对于大型液体捆绑火箭, 推进系统与姿控系统之间存在不可忽略的耦合作用, 在设计姿控系统时, 有必要考虑推进系统对姿控系统稳定性的影响.      

轨下支承失效对直线轨道动态响应的影响

建立了基于Timoshenko梁模型的车辆/轨道耦合动力学模型,分析轨下支承失效对直线轨道动态响应的影响. 钢轨被视为连续弹性离散点支承上的无限长Timoshenko梁,通过假设轨道系统刚度沿纵向分布发生突变来模拟轨下支承失效状态. 推导了考虑钢轨横向、垂向和扭转运动的轮轨滚动接触蠕滑率计算公式. 利用Hertz法向接触理论和沈氏蠕滑理论计算轮轨法向力及轮轨滚动接触蠕滑力. 采用移动轨下支承模型的车辆/轨道耦合系统激振模式,考虑轨枕离散支承对系统动力响应的影响. 通过新型显式积分法求解车辆/轨道耦合动力学系统运动方程,由数值分析计算得到不同轨下支承失效状态下直线轨道的动态响应. 结果表明,轨下支承失效对直线轨道变形及加速度有显著的影响,随着失效轨下支承个数的增加,轮轨相互作用力和轨道部件的位移、加速度将会急剧增大,将加速失效区段线路状况的恶化.      

载体运动对双轴连续旋转调制式惯导方案误差的影响

引入系统级旋转自补偿技术可以提高惯性导航系统的精度,该技术是指对整个IMU施加旋转运动从而改变元器件的工作方式,使元件误差得到调制,在进行积分时调制后的误差在一个周期内得到抵消.在捷联式惯导系统中,当载体处于动态时,标度因数误差和安装误差与惯性传感器的输出产生耦合,旋转调制对系统的补偿效果将受到影响.改进的途径一是提高元件标度因数稳定性,减小系统安装误差角;二是隔离载体运动,即减小陀螺仪和加速度计的输出值.本文通过对比分析在静态和动态条件下双轴连续旋转调制式惯导的误差方程,解释了载体运动对旋转调制效果的影响机理,并通过数字仿真验证了载体运动对系统补偿效果的影响.分析和仿真发现,在静态和动态条件下旋转调制都可以提高系统的精度,而在静态条件下或者在通过环架结构隔离了载体运动后旋转调制的效果相对于动态下有较为明显的提高.     

空间系绳系统的动力学建模与轨迹跟踪控制

针对绳系子星远距离释放的情况,考虑展开控制机构特性、系绳弹性和质量,基于牛顿力学分析方法建立了空间系绳系统在地心惯性坐标系下的动力学方程。基于此简化模型,运用改进的标称张力控制律,优化得到系绳展开的标称轨迹;为了实现对标称轨迹的跟踪,基于考虑控制机构力限制的非典型最优准则,设计了比例微分控制器来调节张力控制量;采用文中修正控制律对空间系绳系统远距离展开过程作了数值仿真,并且依据仿真曲线分析了系绳横纵向振动特性及子星运动规律。结果表明,本文的简化模型有效地反映了空间系绳系统展开的动力学特性,且在系统实际展开过程中实现了对标称轨迹的跟踪。这为今后远距离系绳展开与控制提供了理论参考。     

作大运动弹性薄板中的几何非线性 与耦合变形1)

导出作大范围刚体运动弹性薄板包括了几何非线性和中面变形之间的相互耦合(耦合变形)的动力学控制方程.分析了几何非线性和耦合变形各自对系统动力学性质的影响,得到了在传统方法上只考虑几何非线性,系统将通过同宿轨分岔过渡到混沌运动;若在传统方法上考虑耦合变形,系统稳定且数值解收敛,与实际情形相符.     

空间绳系太阳能电站初始姿态误差影响分析

针对地球同步轨道绳系太阳能电站在轨运行的动力学问题,建立复杂绳系编队系统的动力学模型。此模型考虑了系绳的柔性、太阳能子板的姿态运动、编队系统构型与轨道运动之间相互耦合的特性。在无扰动及存在初始太阳能子板姿态误差的情况下对系统进行动力学仿真,分析了系统的稳定性。结果表明:不同方向上的初始太阳能子板姿态误差对系统的影响不同,指向地心方向上的初始姿态误差不会引起系统的运动,另外两方向上初始姿态误差会引起柔性系绳内力变化从而对系统产生影响,其中轨道运行方向上的初始姿态误差对系统的影响最明显;较小的初始姿态误差所引起的系统运动主要为太阳能子板在其平衡位置附近的小幅往复转动;初始姿态误差较大时,平台系统会大幅偏离其平衡位置,影响空间绳系太阳能电站的构型保持。     

不确定车轨耦合系统辛随机振动分析

建立了轨道不平顺作用下具有不确定参数车轨耦合系统随机振动评估方法. 车辆系统采用物理坐标下多刚体系统模型,并应用高斯随机变量模拟车体、转向架和轮对一系、二系连接系统中动力学参数具有的不确定性. 采用无穷周期结构进行弹性轨道模拟,在哈密顿状态空间下建立了典型轨道子结构的状态运动方程,通过轮轨耦合关系建立了混合 物理坐标及辛模态坐标车轨耦合系统运动方程. 应用Hermite正交多项式展开得到了耦合系统动力响应相对于不确定性参数的控制方程. 由于利用轨道周期特性建模,所获得的控制方程有效地降低了方程维度. 轮轨接触处轨道不平顺载荷模拟为完全相干多分量平稳随机过程,推广和发展虚拟激励法建立了耦合系统随机振动受不确定动力学 参数影响的量化评估方法. 通过Monte Carlo数值模拟,验证了该方法在不确定参数变异很大时也能够保持较好的精度,具有一定的工程实用性.     

单轴旋转惯导系统“航向耦合效应”分析与补偿

从单轴旋转惯导系统的误差方程出发,分析载体角运动对系统的影响,从改变IMU旋转角速率的角度补偿系统的"航向耦合效应"。针对绕载体系Z轴正反旋转的单轴旋转系统,载体航向运动与IMU的旋转运动耦合改变了从旋转坐标系到导航坐标系的坐标变换矩阵的形式,从而影响系统误差调制效果,导致系统的"航向耦合效应"。为保证该坐标变换矩阵的周期性,考虑改变IMU的旋转角速率,使之绕导航系而非载体系匀速旋转,隔离载体航向运动与IMU旋转运动的耦合,补偿航向运动对系统的影响。最后,利用海上试验实测的姿态和航向数据进行了单轴旋转惯导系统的误差仿真。结果表明,采取"航向耦合效应"补偿方案时,无姿态运动条件下系统位置误差减小一半;在实际姿态运动条件下,系统误差减小三分之一。     

作大运动弹性薄板中的几何非线性与耦合变形

导出作大范围刚体运动弹性薄板包括了几何非线性和中面变形之间的相互耦合（耦合变形）的动力学控制方程．分析了几何非线性和耦合变形各自对系统动力学性质的影响,得到了在传统方法上只考虑几何非线性,系统将通过同宿轨分岔过渡到混沌运动;若在传统方法上考虑耦合变形,系统稳定且数值解收敛,与实际情形相符．     

涡旋运动的稳定性分析

本文给出了分析涡旋运动稳定性的控制方程并介绍在实际问题中得到较广泛应用的各种涡旋的稳定性特性,总结了现有的各种关于涡旋运动稳定性的判据。      

悬臂输流管道在基础激励与脉动内流联合作用下的参激振动

首先建立了悬臂输流管道在基础激励与脉动内流联合作用下的运动方程;然后基于Galerkin法研究了该系统的非线性动力学行为,分析了系统运动状态随激励频率和相位差的变化,以及混沌百分比随频率比(基础激励频率与脉动频率之比)和相位差的变化。结果表明,无论以激励频率还是以相位差为分岔参数,系统都具有多种形式的动态响应,包括周期运动、概周期运动和混沌运动,但进入和脱离混沌的途径不同。相位差和频率比对系统的混沌百分比有重要影响:相位差为π/2时系统混沌百分比最大;频率比为1时系统混沌百分比最小,频率比较小或较大时系统混沌百分比与只有基础激励时接近。     

Reptation Motion of Animals in a Fluid

The plane problem of reptation motion of a biological object in a viscous fluid is solved analytically in a long-wave approximation. The motion if laminar. Computational expressions and asymptotic estimates are obtained for the axial and shear forces, expended energy, and motion trajectory. Results of a numerical analysis of the solution are given.__________Translated from Prikladnaya Mekhanika i Tekhnicheskaya Fizika, Vol. 46, No. 5, pp. 106–115, September–October, 2005.     

Is Intersonic Dislocation Motion Possible? Singularity Analysis for an Edge Dislocation Accelerating through the Shear Wave Speed Barrier

The analysis of Markenscoff and Clifton (J Mech Phys Solids 29:253–262, 1981) for a generally nonuniformly moving Volterra edge dislocation, valid both for subsonic and intersonic/supersonic motion, is focused on the instant in which the dislocation accelerates through the shear-wave speed barrier. Mathematically, the roots (of the argument of the step function that defines the intervals of the path of the motion that contribute to the field point) change from a pair of complex conjugate to a double real, splitting into two real ones, and, at the instant of the transition to intersonic motion, the stress analysis is performed at this double root maximum of . The stress at the forming Mach front contains a singularity in the coefficient of the delta function, which can be removed by a ramp-core (delta sequence rather than delta function) model of the core displacement.     

多狗追击问题的力学解法

对于多狗依次追击问题,运用相对运动的思想,可方便地求出追击的时间、路程及相对运动方程.     

杆状弯曲行波型超声电机运动机理研究

为了深入研究杆状弯曲行波型超声电机的运动机理，本文分析了定子表面质点椭圆运动轨迹的形成，并将椭圆运动分解为产生驱动力的有效椭圆运动与使定、转子产生径向滑动的径向直线运动；然后基于有效椭圆运动变化情况，分析了在两相振幅不平衡和任意相位差情况下对转子运动平稳性的影响，为这类电机的设计和性能控制提供理论依据。     

Rocking of rigid block on nonlinear flexible foundation

The two prime models used currently to describe rocking of rigid bodies, the Housner’s model and the Winkler foundation model, can capture some of the salient features of the physics of this important problem. These two models involve either null or linear interaction between the block and the foundation.Hopefully, some additional aspects of the problem can be captured by an enhanced nonlinear model for the base-foundation interaction. In this regard, what it is adopted in this paper is the Hunt and Crossley’s nonlinear impact force model in which the impact/contact force is represented by springs in parallel with nonlinear dampers. In this regard, a proper mathematical formulation is developed accounting for the possibility of uplifting in the case of strong excitation. Further, an averaging procedure has been developed to expeditiously derive the steady state response amplitude in case of harmonic base excitation. The analytical study is supplemented by experimental tests developed in the Laboratory of Experimental Dynamics at the University of Palermo, Italy. In this context, because of the obvious relevance for historical monuments, free-rocking tests are presented for several marble-block geometries on both rigid and flexible foundations. Numerical vis-à-vis experimental data are examined, showing that the proposed nonlinear model is sufficiently versatile to capture additional aspects of the physics of the problem even for quite soft foundation materials.     

Unsteady flow of a second-order fluid between concentric cylinders

The unsteady motion of an incompressible second-order fluid contained between two finite coaxial cylinders is examined when the outer cylinder is held fixed while the inner cylinder is constrained to execute an arbitrary angular velocity. A solution is obtained in closed form with the aid of transforms and an expression is obtained for the couple experienced. The particular case of a periodic angular velocity is then examined and some numerical work done. There is a marked difference between the results obtained and their classical counterparts.     

Motion of a Mechanical System with Variable Mass–Inertia Characteristics

A closed-form system of dynamic equations describing the free motion of a material system with variable mass–inertia characteristics is derived. The system consists of a carrying body and carried bodies (freight) and undergoes translational–rotational motion in space. The differential equations of motion derived include time-dependent parameters and allow for the inertia and varying mass of the system, etc. It is pointed out that special cases can be derived from the general equations to study various modes of motion and stability phenomena     

悬臂输流管道的运动分岔现象和混沌运动

研究受约束悬臂输流管道的稳定性和运动分岔问题.在静态与动态失稳区域边界上的一个交叉点附近,用理论分析的方法详细研究了该系统可能发生的复杂运动和运动分岔现象.在动态失稳区域内发现了输流管道的概周期运动和由于概周期运动环面破裂而导致混沌的现象.理论分析结果与数值模拟结果相吻合.