平面柔性梁的刚-柔耦合动力学特性分析与仿真

针对大范围运动规律为未知的刚-柔耦合系统研究其动力学特性.利用有限元方法对柔性梁进行离散,采用Lagrange方程建立平面柔性梁的刚-柔耦合动力学方程,研究在大范围运动为自由情况下,平面柔性梁的大范围运动和变形运动的相互耦合机理,比较零次模型、一次耦合模型及精确模型的差异,探讨各种模型的适用性. 关键词： 平面柔性梁 刚-柔耦合系统 动力学特性 分析与仿真     

具有大范围运动和非线性变形的空间柔性梁的精确动力学建模

研究具有大范围运动和非线性变形的空间柔性梁的有限元动力学建模.首先在精确描述空间柔性梁的非线性变形的基础上,采用有限元方法对梁结构进行离散,导出其动能、势能及外力对应的广义力,然后利用Lagrange方程建立了空间柔性梁的精确动力学方程.该方程在原有一次耦合模型的基础上,增加了新的表征纵向、横向、侧向弯曲变形,以及扭转变形的耦合项,同时包含了变形运动与大范围运动之间的相互耦合项.本建模方法和所得结论可为以后空间柔性梁的动力学特性分析作以参考.     

大展弦比气弹机翼柔性非线性变形的气动力效应分析与风洞试验

从飞行器刚弹耦合动力学模型出发,引入柔性机翼准定常假设,建立大柔性飞行器非线性静气动弹性气动力方程,利用非线性迭代求解思路模拟了柔性飞行器的静气动弹性响应行为,开展了大展弦比飞机静气动弹性风洞试验验证,采用气动力有限基本解与机翼的耦合计算,发现了大柔性飞机大变形状态下载荷及结构变形形式随风速的变化规律.传统基于小变形假设的线性分析方法和刚体分析由于无法考虑气动面随结构变形的曲面气动力因素和结构变形后的非线性刚度特性,均与风洞试验存在一定的误差.对于大展弦比柔性飞机的非线性静气动弹性分析十分必要.      

对于具有大范围运动和非线性变形的柔性梁的有限元动力学建模

研究具有大范围运动和非线性变形的柔性梁的有限元动力学建模.采用有限元方法对梁结构进行离散,利用Lagrange方程建立系统的精确动力学方程.该方程不仅增加了新的表征纵向、横向、侧向弯曲变形,以及扭转变形的耦合项,同时包含了变形运动与大范围运动之间的相互耦合项.     

非惯性系下考虑剪切变形的柔性梁的动力学建模

研究非惯性坐标系下考虑剪切变形的柔性梁的动力学建模. 首先借鉴Euler-Bernoulli梁的几何非线性变形模式,考虑了Timoshenko梁弯曲以及剪切变形产生的几何非线性效应对纵向、横向变形位移的影响,在考虑两个方向的变形耦合项后,利用有限元法对柔性梁进行了离散,采用Lagrange方程建立了柔性梁的动力学模型,首次建立了包含变形二次耦合量的Timoshenko梁的动力学方程. 关键词： 非惯性坐标系 剪切变形 柔性梁 动力学建模     

细绳牵引条件下二体弹性碰撞的分析与讨论

针对物理竞赛中出现的细绳牵引条件下小球碰撞问题,引入能量耗散,建立相应的谐振子模型,求解得到其运动学方程。结合数值计算进一步探索完全与非完全弹性牵引碰撞的动力学演化和规律,得到弹性牵引碰撞后两物体运动呈现非线性特征,并随着时间演化两物体速度趋于一致的结论;同时对质心系和其他非惯性系中分析该牵引碰撞过程也作了讨论。本文对牵引过程的动力学方程和物体运动状态随时间的演化给出了具体的定量分析,为深入研究牵引碰撞的本质规律提供一定参考价值。     

基于复合波动推进的柔性鳍运动机理研究

仿鱼机器人具有高效游动能力与良好的环境适应性，被广泛应用于资源开发、环境勘探以及两栖救援等复杂任务中。本文提出了一种基于横纵波复合运动的柔性波动鳍推进器，对其水下运动机理进行分析，构建了复合波动推进的波动鳍运动模型，通过数值方法对其水下运动性能进行研究，探究其水下推进力、推进速度和推进效率等参数的变化规律。结果表明：柔性鳍在运动时所受推进力呈波动变化，一段时间后波动均值为零，鳍面高压区与低压区呈周期性变化；波动鳍驱动其周围流体获得动能，推进器最大速度达到1.2 m/s，周围流体速度可达1 m/s左右；随着偏转角增加，复合波动鳍面推进效率也相应增大，相比未偏转时其效率提高了11%左右。     

Hilber-Hughes-Taylor-α法在接触约束多体系统动力学中的应用

以柔性梁在重力作用下绕转动铰做大范围定轴转动,并与刚性平面发生碰撞这一动力学过程为例,对Hilber-Hughes-Taylor(HHT-α)法在求解含接触约束的柔性多体系统动力学方程时的数值特性进行了研究.系统运动过程的全局动力学仿真由常微分方程组和微分-代数方程组的数值求解构成.柔性梁在无碰撞阶段系统动力学方程是一组常微分方程组.采用接触约束法模拟接触约束过程,系统的动力学方程为指标3的微分-代数方程组.采用HHT-α法对的该微分-代数方程组进行求解,并与Baumgarte违约修正法进行比较.分析了HHT-α法自由参数和违约修正常数对计算效率、动力学响应和系统机械能的影响,并对数值积分方法对模态截断数的敏感度以及速度约束和加速度约束的违约程度进行了分析.结果表明,违约修正常数对仿真结果影响非常明显,而HHT-α法的自由参数α对动力学响应的影响较小,从而避免了违约修正常数对数值积分结果的影响.HHT-α法的自由参数α可以消除碰撞高频模态的影响.     

再谈"小球与均质自由杆的碰撞"

讨论了小球在杆上任一点的碰撞问题,并指出《大学物理》2006年第5期《小球与均质自由杆的碰撞》一文中"完全非弹性碰撞后两物体不一定粘在一起共同运动"的说法是错误的.     

自旋轨道耦合量子点系统中的量子相干

研究了自旋轨道耦合量子点中的量子相干效应.运用输运电子的全计数统计方法计算系统的平均电流、散粒噪声和偏斜,发现体系存在自旋轨道耦合作用时,散粒噪声值随自旋轨道耦合常数的增加而减小.更重要的是,电流、噪声和偏斜随磁通周期性波动,并且波动周期不受自旋轨道耦合强度大小、自旋极化率以及动力学耦合不对称的影响.     

直喷式柴油机燃烧过程及碳烟生成的初步计算

依据已简化的包含多环芳烃生成的正庚烷气相详细化学反应机理,基于专业流体解析软件FLUENT6.3对直喷式柴油机压缩、膨胀冲程内的自燃和燃烧过程进行了动态模拟,得到了缸内平均温度、主要反应物以及中间产物多环芳烃生成量随转角变化的特性曲线.在数值上,计算得到以苯环质量为主的多环芳烃总生成量水平比试验测量结果约高出1~2个量级,但是在随转角变化的特性上,计算与试验测量曲线定性趋势一致.针对特定转角时刻主要火焰结构参数的截面分布,分析研究了柴油机缸内化学反应特性与流体流动相互作用下的空间分布特征.通过耦合详细碳烟粒子动力学模型,对碳烟表象尺寸进行了初步模拟.     

带碰撞双稳态压电俘能系统的俘能特性研究

双稳态俘能系统的运动常常会陷入单个势能阱中, 导致俘能效率降低. 为了解决这个问题, 本文提出了一类带碰撞的磁斥力双稳态压电振动能量采集系统. 建立了该碰撞双稳态系统的机电耦合方程, 分析了碰撞对双稳态系统动力学特性的影响. 研究了确定性激励和低强度随机激励下碰撞对系统响应特性和俘能效率的影响. 结果表明: 简谐激励下, 碰撞能够使得原双稳态系统的单阱小幅周期运动转变为双阱间的大幅运动, 从而有效地提高输出功率. 得到了低强度随机激励下, 不同碰撞间隙对系统动力响应特性和输出功率的影响规律. 对一个给定的随机激励, 存在一个最优的碰撞间隙, 此时碰撞能够将原双稳态系统单阱内的随机运动转化为频繁的双阱跳跃, 出现大幅值运动, 从而大幅提高了系统的俘能效率.     

关于几个典型的刚体运动问题中被动力作用的教学讨论

在存在约束的动力学问题中,有关被动力作用的分析一直是大学物理教学中的薄弱环节,因而可能导致学生对这类问题的错误理解和求解。本文结合小球与匀质细杆碰撞问题、摩擦轮问题和旋转轮摩擦加速问题等3个典型问题讨论了大学物理教学中的被动力在刚体运动中的作用,即特别是小球与匀质悬挂杆的碰撞问题。讨论力求便于学生理解,因此推导尽量简单。文章认为,讨论有约束的刚体动力学问题时必须强调约束是通过被动力对刚体的运动带来作用。这是使学生正确理解和求解刚体动力学问题的关键之一。     

小球与均质定轴杆的碰撞

讨论了小球与定轴转动杆碰撞过程中所遵从的物理规律,进一步明确了完全非弹性碰撞过程的能量特征,指出完全非弹性碰撞后两物体不一定粘在一起共同运动的事实.     

小球与均质自由杆的碰撞

讨论了小球与自由杆碰撞过程中所遵从的物理规律,明确了完全非弹性碰撞过程的能量特征,指出完全非弹性碰撞后两物体不一定粘在一起共同运动的事实.     

10—100MeV/A能区重离子碰撞反应机制的演化

在量子分子动力学模型框架下,研究10—100MeV/A能区重离子碰撞的动力学过程;计算了集团的质量分布及其随时间的演化,以及密度分布随时间的发展.同时预言了该能区的反应机制及其特征,并与BUU模型作了比较.     

熵产生、碰撞数和热核的形成过程

同时考虑真实的动量相关势和介质中核子-核子碰撞截面来求解BUU方程.在入射能量E_L/A=100、200、400和800MeV时,系统地计算和分析了核反应Ca⁴⁰+Ca⁴⁰在各种碰撞参数下的熵产生和碰撞随时间的变化过程.结果表明:动量相关势和介质效应对熵和碰撞数的影响是明显的,而且这种影响对碰撞参数和入射能量的依赖比较敏感,特别是熵产生和碰撞数在各种条件下随时间的演化过程反映了热核形成的动力学过程.     

化学自催化混沌反应模型中的耦合作用与混沌同步

选用混沌自催化反应作为子系统 ,构造了耦合自催化反应系统 ,研究了耦合变量、耦合系数对混沌动力学行为的影响 ,给出了不同耦合系数下系统的动力学特征 ,探讨了耦合作用机制 .结果表明 ,耦合作用能明显地改变子系统的动力学行为 ,强化系统间的相关性 .耦合后的混沌运动受到调整与抑制 ,耦合强度加大时 ,呈现出混沌运动轨线的周期化 ,耦合系数大于临界值 ,两子系统实现了完全的同步 .不同变量的耦合时 ,影响最大的是第二种变量 .对于三种物质均有耦合时 ,更容易出现混沌的抑制、运动状态的锁相与周期化和混沌的完全同步 .     

旋转柔性悬臂梁动力学的Bezier插值离散方法研究

在旋转柔性梁变形场描述中,引入Bezier插值离散方法.首先构建旋转运动悬臂梁物理模型,接着采用第二类Lagrange动力学方程和Bezier插值离散方法,在计入柔性梁横向弯曲变形引起的纵向缩短的情况下,推导了旋转柔性梁的刚柔耦合动力学方程,并编制旋转柔性梁的动力学仿真软件,然后通过仿真算例对系统的动力学问题进行研究.最后将仿真结果与有限元法、假设模态法进行分析比较,验证了提出的Bezier插值离散方法的正确性,并得出Bezier插值离散法的计算效率较高;计算精度符合工程实际需要,高速时计算精度大于假设模态法;Bezier插值离散方法在处理大柔性问题时比假设模态法合理.因此在多体系统动力学领域具有优良性能和应用价值的Bezier插值离散方法将具有推广价值.     

精确Cosserat弹性杆动力学的分析力学方法

以脱氧核糖核酸和工程中的细长结构为背景, 大变形大范围运动的弹性杆动力学受到关注. 将分析力学方法运用到精确Cosserat弹性杆动力学, 旨在为前者拓展新的应用领域, 为后者提供新的研究方法. 基于平面截面假定, 在弯扭基础上再计及拉压和剪切变形形成精确Cosserat弹性杆模型. 用刚体运动的概念描述弹性杆的变形, 导出弹性杆变形和运动的几何关系; 在定义截面虚位移及其变分法则的基础上, 建立用矢量表达的d’Alembert-Lagrange原理, 在线性本构关系下化作分析力学形式, 并导出Lagrange方程和Nielsen方程, 定义正则变量后化作Hamilton正则方程; 对于只在端部受力的弹性杆静力学, 导出了将守恒量预先嵌入的Lagrange方程, 并讨论了其首次积分. 从弹性杆的d’Alembert-Lagrange原理导出积分变分原理, 在线性本构关系下化作Hamilton原理. 形成的分析力学方法使弹性杆的全部动力学方程具有统一的形式, 为弹性杆动力学的对称性和守恒量的研究及其数值计算铺平道路. 关键词： 精确Cosserat弹性杆 分析动力学方法 变分原理 Lagrange方程