柔性对多体系统中铰接副磨损的影响

通过集成柔性多体动力学与磨损计算程序,提出了一种用于对柔性多体系统中间隙铰接副部位的磨损进行了预测的方法.基于绝对节点坐标方法(ANCF)建立了柔性部件的多体动力学模型,引入Lankanrani和Nikravesh提出的连续接触力模型计算间隙铰接副部分的法向接触力,采用Lu Gre摩擦模型计算切向摩擦力,并利用基于Archard模型的迭代计算程序计算磨损.为了提高计算效率,引入了并行计算策略.最后,通过对一个含柔性连杆的曲柄滑块机构机构进行仿真计算,发现当考虑部件的柔性时,得到的间隙处的冲击力会大幅降低,预测的磨损量也随之降低,并且随着机构柔性的增强,这种效果更为明显.     

应用Winkler弹性基础模型的间隙铰接副磨损预测

间隙铰接副磨损与机构动力学之间存在交互耦合作用.通过Winkler弹性基础模型既可表达铰接副共形接触反力用于构建多体力学方程,又可得到界面接触压力分布用于磨损计算,从而可获得较Hertz理论对共形接触问题更好的计算准确度,且避免有限元方法计算接触压力分布导致的计算耗时性.以曲柄滑块机构为例的分析和实验结果表明:虽然有限元方法可得到更高的磨损预测精度,但Winkler模型对微间隙铰接副磨损预测具有可接受的精度和更好的计算效率,从而可为含间隙铰接副机械系统摩擦学设计提供简便的算法.     

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.      

基于神经网络的间隙机构运动副磨损预测

应用BP神经网络建立了磨损率与接触应力、滑动速度和材料硬度之间的非线性关系模型,并对该网络模型进行了验证和测试,结果表明,训练良好的神经网络模型能够准确反映样本所蕴含的内在磨损规律,且具有较好的预测效果。基于非线性弹簧阻尼模型和修正的Coulomb摩擦力模型对含间隙曲柄滑块机构进行数值仿真分析,获得间隙机构运动副的接触应力和相对滑动速度,利用训练好的神经网络磨损模型对轴套的磨损进行迭代磨损预测分析,发现随着曲柄转数的增加,轴套表面一些特定位置处的磨损越来越严重,最终导致轴套表面出现非均匀磨损现象,其原因是间隙机构运转过程在一些特定位置处产生了较大接触应力和碰撞力。     

铰接副磨损与系统动力学行为耦合的数值分析

建立了机械系统的摩擦磨损与动力学行为的耦合分析模型和数值计算框架,以间隙铰接副为对象分析其磨损和动力学行为的交互影响机制.磨损通过有限元理论及ANSYS软件开发的通用程序来计算,其中通过移动边界节点的方法来描述磨损过程,利用结构优化算法中的边界位移法解决了边界节点变动导致的内部网格畸变问题.应用将位移约束转化为接触力约束的方法建立含间隙铰碰撞的多体动力学模型.通过序贯耦合的模式计算出不同寿命时段的磨损间隙和性能特性.结果表明:磨损与动力学行为耦合数值分析可对整个寿命周期内磨损和性能做出预测,可显著提高摩擦学设计的效率和准确性.     

随机空间柔性多体系统动力学分析

轻质、高精度的柔性多体系统被广泛应用于实际工程领域中.由于实际设计公差、制造误差及环境温度等多种不确定因素的存在,使得柔性多体系统的结构参数(物理参数和几何参数)表现出随机性.具有随机结构参数的动力学模型能够客观地反映出真实系统的动力学行为,且结构参数的不确定性对空间柔性多体系统动力学响应的影响是不容忽视的.针对具有多个随机参数的空间柔性多体系统,提出了一种基于广义alpha算法的非侵入式随机柔性多体系统动力学计算方法.采用绝对节点坐标公式(absolute node coordinate formulation, ANCF)来描述柔性体,推导建立多体系统动力学模型.利用混沌多项式展开(polynomial chaos expansion, PCE)法构建系统随机动力学方程的代理模型,然后将随机响应面法(stochastic response surface method, SRSM)嵌入广义-alpha方法中,分别采用改进抽样的回归方法 (regression method of improved sampling, RMIS)和单项求容积法则(Monte Carlo simulation, MCR)来确定样本点.将数值计算结果与蒙特卡洛模拟(Monte Carlo simulation, MCS)结果进行对比,验证了所提算法的有效性.在相同的定积分精度的条件下,根据单项求容积法则确定的样本点的计算结果稳定性更强,且其计算效率更高.     

柔性多体系统的计算策略

对柔性多体系统计算建模的研究现状和近期进展进行了总结. 重点讨论了柔性多体 动力学的以下内容: 柔性构件的建模, 约束建模, 求解技术, 控制策略, 耦合问 题, 设计和实验的研究. 对柔性多体系统建模的浮动坐标系,转动坐标系和惯性系 等3种坐标系的特点进行了对比. 指出了未来的研究方向, 包括柔性多体系统的新 的应用,如微观力学系统和超微观力学系统等; 提高这些模型的计算精度和效率的 技巧和策略; 以及可以用于改善柔性多体系统的工具. 本综述文章引用了877篇参 考文献.     

链状柔性多体机器人系统动力学研究

本文基于Ｊｏｕｒｄａｉｎ变分原理建立了具有链状拓扑结构柔性多体机器人系统动力学通用模型，用在一致质量有限单元法及正则模态分析基础上引入的模态坐标描述构件的弹性形，用独立坐标描述相邻板件间的大位移运动，每个铰容许１－６个自由度，组强非线性惯性耦合的封闭形式的系统动力学微分方程组，文末对单弹性臂和双弹性臂机器人操作手进行动力学仿真。     

柔性多体系统动力学研究及存在的问题

本文对柔性多体系统动力学研究领域中动力学模型的建立、求解以及该领域中存在的问题进行了简要综述。     

柔性多体系统动力学研究动态

本文主要对国外在柔性多体系统动力学领域中进行的研究进行了简要综述和介绍，同时也介绍了一些国内的情况，并提出了该领域中存在的问题。     

A Variational Approach to Dynamics of Flexible Multibody Systems

Abstract

This paper presents a variational formulation of constrained dynamics of flexible multibody systems, using a vector-variational calculus approach. Body reference frames are used to define global position and orientation of individual bodies in the system, located and oriented by position of its origin and Euler parameters, respectively. Small strain linear elastic deformation of individual components, relative to their body reference frames, is defined by linear combinations of deformation modes that are induced by constraint reaction forces and normal modes of vibration. A library of kinematic couplings between flexible and/or rigid bodies is defined and analyzed. Variational equations of motion for multibody systems are obtained and reduced to mixed differential-algebraic equations of motion. A space structure that must deform during deployment is analyzed, to illustrate use of the methods developed     

A Fully Symbolic Model of Multibody Systems Containing Flexible Plates

The modelling of flexible elements in mechanical systems has been investigated via several methods issuing from both the field of multi-body dynamics and the area of structural mechanics and vibration theory. As regards the multibody approach, recursive formulations in relative coordinates are quite suitable and efficient for a large variety of applications. Such a formalism is developed here for a general multibody system containing flexible plates and in such a way that its full symbolic generation is possible within the ROBOTRAN program [1].     

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。     

刚柔耦合约束多体系统的动力分析

本文提出了描述柔性多体系统的牵连坐标系统。该系统由惯性参考系,牵连坐标系,物体坐标系及单元坐标系组成,实现了对刚体平动,刚体转动及弹性运动的连续分解,最大限度地消除了由于刚体大角度转动导致的非线性特性。以有限元法为基础,应用拉格朗日方程建立了在该坐标下的刚柔耦合约束多体系统的动力学控制方程。该方程具有耦合程度小、易于推导、编程及求解等优点,为大规模约束多体系统的动力分析提供了新的途径。本文还讨论了平面铰链约束的约束形式及约束方程,最后给出了一个典型多体系统的数值算例。     

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.     

Passive Transient Wave Confinement Due to Nonlinear Joints in Coupled Flexible Systems

We numerically study transient wave propagation in linear flexiblewaveguides coupled by means of nonlinear backlash joints. No structuraldisorder is assumed to exist in the repetitive systems underconsideration. Early-time spatial confinement of the wave motion due tothe backlashes is detected for certain values of the systems'parameters. A discussion of the causes of this nonlinear wavelocalization is given. A transient confinement indicator is establishedand employed for the design optimization of the backlash joints foroptimum energy confinement in the directly forced subsystem. Theoptimization study reveals that strong passive motion confinement canoccur, even when strong coupling between subsystems exists,complementing previous studies in the literature where nonlinearlocalization due to weak subsystem coupling was investigated. Thepresent results have applicability to designs of joints for practicallarge-scale repetitive space structures.