用具有负定矩阵的梯度系统构造稳定的变质量力学系统

随着科学技术的发展,对喷气飞机、火箭等变质量系统动力学的研究显得越来越重要, 并且总是希望变质量系统的解是稳定的或渐近稳定的. 而通用的研究稳定性的Lyapunov直接法有很大难度, 因为直接从微分方程出发构造Lyapunov函数往往很难实现. 本文给出一种研究稳定性的间接方法, 即梯度系统方法. 该方法不但能揭示动力学系统的内在结构, 而且有助于探索系统的稳定性、渐进性和分岔等动力学行为. 梯度系统的函数V通常取为Lyapunov函数, 因此梯度系统比较适合用Lyapunov函数来研究. 列写出变质量完整力学系统的运动方程,在系统非奇异情形下,求得所有广义加速度. 提出一类具有负定矩阵的梯度系统, 并研究该梯度系统解的稳定性. 把这类梯度系统和变质量力学系统有机结合,给出变质量力学系统的解可以是稳定的或渐近稳定的条件, 进一步利用矩阵为负定非对称的梯度系统构造出一些解为稳定或渐近稳定的变质量力学系统. 通过具体例子,研究了变质量系统的单自由度运动,在怎样的质量变化规律、微粒分离速度和加力下,其解是稳定的或渐近稳定的. 本文的构造方法也适合其它类型的动力学系统.      

变质量系统动力学教学中的几个问题

在变质量系统动力学的教学中应引入控制界面的概念,它实际上是描述运动及处理动力学问题的另一种方式,在描述流体的运动中十分有用．本文还对变质量系统动力学教学中的几个疑点作出了解释     

某型水陆两栖飞机水面高速滑行振动研究

某型水陆两栖飞机在某次试飞过程中的水面高速滑行阶段出现海豚运动和机翼振动的异常现象,针对该现象展开原因分析研究。首先,建立飞机结构动力学有限元模型,研究弹性体飞机的固有动力特性;然后,建立双质量弹簧系统模型,结合水动力学研究飞机在水面滑行的运动特性;最后,结合飞机固有动力特性和水面高速滑行运动特性,分析飞机在水面高速滑行过程中机翼产生异常振动的原因。研究结果表明：飞机着水时因着水姿态以及自身静稳性等因素发生海豚运动;在某个运动时刻,当运动固有频率与机翼的一阶弹性模态频率耦合导致机翼振动。研究结果既为后续研究异常避免措施以及保证滑行试飞安全,提供了理论依据;也为水陆两栖飞机振动设计以及水面高速滑行振动分析提供了一种研究思路。     

动力学普遍定理对非完整动力学的应用——分析力学札记之二十九

研究非完整动力学问题,可用理论力学方法或分析力学方法.理论力学方法用动力学普遍定理建立运动方程;分析力学方法用非完整动力学的各类方程来列写系统的运动方程.动力学普遍定理,特别是动量矩定理可以用于定点、质心或动点.有时对动点的动量矩定理比对定点的或质心的要简单得多.     

具有单面非线性非完整约束的动力学系统的运动

本文提出并研究了具有单面非线性非完整约束的动力学系统的运动问题,给出了描述系统运动的Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ－Ｈａｍｅｌ型方程,并举例说明结果的应用。     

多体系统动力学中关节效应模型的研究进展

在一般的多体系统动力学研究中认为运动关节是理想运动副. 然而,实际中的运动关节不仅含有间隙与摩擦,还有间隙引起的关节元素之间的接触碰撞、局部变形和磨损. 多体系统动力学中的关节效应不仅引起了系统的振动和噪声,减小了系统的可靠性和寿命,而且损失了系统的精度和稳定性. 为此,对近十几年多体系统动力学中关节效应的研究进行了详细分析,总结了关节效应中间隙运动学模型、接触力模型与磨损模型在多体系统动力学中的建模过程. 其中,着重分析了多体系统动力学中关节磨损效应的研究进展,并对常用的Reye'shypothesis 和Archard 磨损模型进行了比较,详细地分析了Archard 磨损模型的演变形式以及主要磨损参数(接触应力,接触面积和滑移距离),特别分析了关键磨损参数接触应力的建模方法,解释了基于Winkler 弹性基础理论在求解接触应力时遇到的困难. 另外,介绍了4 种间隙运动副(转动副、移动副、圆柱副和球面副) 的运动学模型. 分析了考虑关节磨损多体系统动力学模型的一般建模方法,并以平面五杆机构为例说明了其建模过程.最后,简要地展望了多体系统动力学中关节效应模型的发展趋势以及应用前景.      

含对称间隙的摩擦振子非线性动力学分析

建立了两自由度含对称间隙的干摩擦碰撞振动系统的动力学模型,分析了系统运动中存在的滑动、黏着及碰撞,分别给出其判断方法和衔接准则,推导出各阶段系统的解析解,并采用数值迭代方法求解和分析了系统的复杂动力学行为,同时分析干摩擦对系统动力学性能的影响.结果表明,系统存在叉式分叉,系统由对称周期运动变为反对称周期运动,进而通过Hopf分叉或周期倍化分叉通向混沌.在参数变化范围较大的情况下,系统存在类型丰富的周期运动、拟周期运动以及混沌;系统存在对称运动、反对称运动对、黏滑碰撞运动以及由初始条件决定的共存吸引子.     

直升机旋翼与机身耦合固有频率分析

在分析直升机旋翼挥舞，扭摆，变距运动基础上，应用多体系统动力学建模法建立直升机旋翼与机身耦合的动力学方程。在直升机稳定飞行状态下，对其动力学方程中描述直升机机身刚体运动的参数和旋翼刚体运动的参数进行泰勒展开，做线性化处理，导出直升机旋翼与机身耦合线性化动力学方程，然后计算系统的固有频率。分析计算了一个直升机样机的固有频率，算例表明机身的弹性变形对系统的固有特性有一定的影响。     

一类平面自治非线性时滞控制系统的多稳态和混沌

众所周知,平面自治系统即使具有光滑非线性存在,系统也不会出现复杂的动力学行为。本文研究这样的系统存在时滞时,时滞量对系统的动力学行为的影响。通过对一个平面自治非线性系统引入时滞反馈,得到数学模型。利用泛函分析和平均法建立系统平衡态随时滞量变化的失稳机理,研究表明：时滞量平面自治系统动力学行为的影响是本质的．时滞量不但可以使系统出现Hopf分岔,产生周期振动。而且还可以使系统出现多稳态的周期运动或周期吸引子,这些共存的吸引子相碰是导致系统复杂的动力学行为,包括概周期和混沌运动。     

一类多体系统非完整运动最优规划的拟牛顿算法

研究带有非完整约束的一类多体系统运动规划问题。多体系统中的非完整约束通常是由不可积的速度约束或不可积的守恒律引起。在系统动量和动量矩守恒情况下,动力学方程降阶为非完整形式约束方程,系统的控制问题可转化为无漂移系统的非完整运动规划问题。文中首先导出具有多体开链系统的非完整运动模型。利用最优控制理论和最优化技术,采用输入参数化的方法将连续的最优控制问题转化为离散的最优控制问题,提出一种非完整多体系统运动规划的拟牛顿算法。最后将该方法用于自由漂浮的空间三连杆机构,仿真结果验证了该方法的有效性。     

叶片振动影响下双盘转子-轴承系统的稳定性与分岔

研究叶片与转子-轴承系统的耦合非线性振动,建立了一个带叶片的双盘转子-轴承系统的非线性动力学模型,其中包含一个弹性转轴、两个滑动轴承、两个刚性圆盘和两组弹性叶片.为了分析叶片的惯性影响,将其简化为单摆模型.采用4阶Runge-Kutta法进行了数值模拟,并利用分岔图、三维谱图、轴心轨迹和Poincaré映射图等方法分析了系统的非线性动力学特性.研究发现,随着转速的变化,系统响应演化出了倍周期运动、概周期运动、混沌运动和倍周期分岔等典型的非线性动力学行为.在与忽略了叶片振动的转子系统对比后发现,叶片振动使转子发生混沌运动的转速区域增大.在某些参数条件下,采用不同的叶片刚度,叶片振动可能引起转子系统产生混沌运动.     

具有裂纹-碰摩耦合故障转子-轴承系统的动力学研究

以非线性动力学和转子动力学理论为基础，分析了带有碰摩和裂纹耦合故障的弹性转子系统的复杂运动，在考虑轴承油膜力的同时构造了含有裂纹和碰摩故障转子系统的动力学模型。针对短轴承油膜力和碰摩-裂纹转子系统的强非线性特点，采用Runge-Kutta法对该系统由碰摩和裂纹耦合故障导致的非线性动力学行为进行了数值仿真研究，发现该类碰摩转子系统在运行过程中存在周期运动、拟周期运动和混沌运动等丰富的非线性现象，该研究结果为转子-轴承系统故障诊断、动态设计和安全运行提供理论参考。     

活塞二阶运动及活塞裙部摩擦的瞬态分析

为分析不同工况下内燃机活塞-缸套系统的摩擦学和动力学行为,本文从内燃机系统动力学分析入手,结合流体润滑方程,建立了考虑系统变惯量影响的活塞二阶运动与摩擦学行为的瞬态分析模型.以某型号单缸机为例,计算和比较了整个启动过程中曲轴转速、二阶运动及摩擦功耗的变化;对比分析了启动时第一周期与稳定运行时某一周期内活塞二阶运动和活塞裙部摩擦学行为的差别.结果表明:该模型可应用于内燃机动力学和摩擦学行为的稳态及瞬态分析.     

多体系统动力学逆问题的一种处理方法

首先用控制力法建立多体系统动力学逆问题的运动微分方程，然后给出奇异值分解在求系统动力学响应中的应用及作用在系统中的控制力的解法，最后举了一个算例。     

多刚体系统动力学的正则方程及数值解法

本文研究了多刚体系统动力学的正则方程,并由此论证了多刚体系统动力学方程的运动稳定性态.在比较不同数值积分方法的基础上,得出结论:基于正则方程的数值积分方法能较好地保证计算精度.     

PMUCR方法在高维非线性动力学系统中的应用

对现有的若干种胞映射方法应用于高维非线性动力学系统全局分析时存在的局限性进行了分析,在此基础上,提出了胞映射方法应用于高维系统时需遵循的几个原则:选择合适的分析平面;减少数据量;确定吸引子在相空间中的位置。根据这些原则,对胞参考点映射法(PMUCR)进行了改进,并对该改进方法应用于2维系统和4维系统时消耗的相对CPU时间进行了比较,结果表明,该改进方法能有效地应用于高维非线性动力学系统中。最后以船舶机械非线性隔振系统为例,分别分析了该改进方法在系统呈现周期运动和混沌运动时的应用。     

变拓扑多体系统动力学的全局仿真

对于在运动过程中系统自由度会发生改变的变拓扑复杂机械系统，提出基本系统与当前系统的概念，采用约束激活的思想，实现系统拓扑结构在仿真过程中自动切换．以笔者开发的多体系统动力学仿真软件ＤＡＭＢ为基础，将其扩展为可进行变拓扑多体系统动力学全局仿真的软件系统．文中以某型号火箭炮系统火箭弹发射动力学的全局仿真为例说明这种方法的可行性     

人体肌骨的多柔体系统动力学研究进展

人体肌肉骨骼系统简称肌骨系统, 包括骨骼、骨骼肌与关节连接, 其力学模型是典型的多柔体系统. 从多体动力学角度研究肌骨系统, 主要关注其在运动过程中的肌肉内力、关节力矩及产生的动力学影响, 属于动力学与生物力学的交叉融合. 肌骨系统的多体动力学模型已被广泛地应用于临床医学、竞技体育、军事训练、人机工程等诸多领域, 其仿真结果可为提高人体运动能力、降低关节载荷与能耗、避免运动损伤、加快康复进程等提供重要计算参考数据. 与此同时, 上述研究亦对肌骨动力学研究提出了许多新挑战. 本文综述了人体肌骨多柔体系统动力学相关研究进展, 包括骨骼肌功能解剖与生物力学建模、神经与肌肉控制理论、肌骨系统动力学问题与求解方法, 以及近年来肌骨多体动力学在步态分析、飞行员抗荷动作、口颌手术规划等领域的典型应用. 与工程领域的机械多体系统相比, 人体肌骨多体系统具有肌肉内力主动性与肌肉控制冗余性两大特征. 现有骨骼肌模型难以同时考虑肌肉的解剖结构、三维几何与肌力产生的生物化学机制. 已有大多数肌骨模型采用静态优化假设消除肌肉冗余性, 忽略了肌肉与肌腱内力平衡及兴奋收缩耦联机制. 此外, 目前仍缺乏实现肌骨模型个性化的无创在体测试手段. 未来, 人体肌骨多体动力学研究将会向更精确、智能、个性化的方向发展, 成为动力学与生物力学交叉的热点研究领域.      

双臂空间机器人系统末端惯性空间轨迹的反馈跟踪控制

本文讨论了载体位置不受控制的双臂空间机器人系统的载体姿态与机械臂末端抓手协调运动的控制问题.结合系统的动量守恒关系对双臂空间机器人系统的运动学、动力学作了分析,推导出了系统的载体姿态与机械臂末端抓手协调运动的增广广义Jacobi关系.并以此为基础,给出在载体位置不受控制的情况下,惯性坐标系内双臂空间机器人系统的载体姿态与机械臂末端抓手协调运动的反馈跟踪控制规律.研究结果表明,在系统动力学模型及参数较精确确定的情况下,本文提出的控制方案能够有效地控制双臂空间机器人机械臂的末端抓手与载体姿态准确地完成指定的运动,而不需对其载体的位置进行主动控制.仿真计算结果证实了方法的有效性.     

多体系统动力学子系统求解算法

为了降低系统求解规模,提高复杂多体系统动力学求解效率,研究了多体动力学子系统求解算法.通过分析系统拓扑构型,基于雅克比矩阵分块特性,提出子系统综合算法.算法采用半递归法建立含开环、闭环的子系统运动方程,将子系统质量和外力等效作用在内接基体上,解耦系统运动方程组装和加速度求解.此外,针对松散耦合子系统,提出了予系统分治算法.算法针对子系统间的耦合特点,分解复杂多体系统模型,实现子系统的独立求解.最后以机构动力学数值求解实例,验证上述算法的正确性和求解效率.