受圆柱面约束螺旋杆伸展为直杆的动力学分析

以大型空间结构的可伸展机械臂从折叠状态被释放的伸展过程为工程背景, 分析受圆柱面单面约束的弹性螺旋杆在惯性力作用下恢复为直杆的动力学过程. 对弹性杆空间大变形的分析不允许利用小变形假设进行简化. Kirchhoff动力学比拟理论是研究细长弹性杆超大变形的有效工具. 但由于圆柱面约束的存在, 不能直接利用无分布力的Kirchhoff 模型, 而必须在方程中增加分布的约束力. 以表述截面姿态的欧拉角为变量, 建立受圆柱面约束弹性杆的动力学方程. 在圆柱面约束条件下, 认为弹性杆在伸展过程中仍维持半径不变的螺旋线形态, 仅螺旋线倾角和杆的扭率随时间变化. 对简化后的非线性微分方程导出解析积分, 以描述伸展运动的动力学过程, 导出螺旋杆伸展速度的变化规律, 以及从初始状态伸展为直杆所需时间的简明的解析形式计算公式.      

受圆柱面约束弹性杆的平衡与稳定性

讨论受圆柱面约束的圆截面弹性杆的平衡与稳定性。以描述截面姿态的欧拉角为变量,建立受约束弹性杆的平衡方程。利用方程的初积分导出约束力、截面内力及挠性线的解析表达式。作为特殊的平衡状态,讨论杆的螺旋线平衡的存在条件。用相平面法分析螺旋线平衡的稳定性,导出解析形式的稳定性条件。     

轴向受压螺旋杆的平衡稳定性

在Kirchhoff动力学比拟基础上讨论端部受轴向压力作用的圆截面弹性细杆的螺旋线平衡稳定性问题．弹性杆的平衡状态由Euler角描述的弹性杆平衡方程的特解确定．从Lyapunov或Euler的不同稳定性概念出发,对弹性杆的平衡稳定性的判断可得出不同的结果．根据一次近似扰动方程判断,弹性杆的螺旋线状态和圆环状态恒满足Lyapunov稳定性条件．但螺旋杆在轴向压力到达临界值时,圆环杆在扭转数到达临界值时将产生屈曲而丧失Euler稳定性．导出临界载荷和临界扭转数的计算公式．螺旋杆的临界载荷取决于螺旋线的高度和螺旋角：螺旋角趋近于π／2时螺旋杆转化为带扭率的直杆,其临界载荷的极限值与压杆的Euler载荷一致．文中对两类不同稳定性概念的区别和联系作出解释．     

轴向受压螺旋杆的动态稳定性与振动

基于Kirchhoff理论讨论端部受轴向压力作用的圆截面弹性螺旋杆的动态稳定性问题。以杆中心线的Frenet坐标系为参考系,建立用欧拉角描述的弹性杆动力学方程。杆的螺旋线平衡状态由方程的特解确定。基于静力学分析的结论,在动力学范畴内继续讨论轴向受压螺旋杆平衡状态的稳定性。在一次近似意义下证明了螺旋杆在空间域内的欧拉稳定性条件为时域内的Lyapunov稳定性条件。从而进一步认识Lyapunov和欧拉两种不同稳定性概念之间的相互关系。导出轴向受压螺旋杆弯扭耦合振动固有频率的近似解析表达式。     

非圆截面弹性细杆的螺旋线平衡及稳定性

本文研究端部受力和力矩作用，且存在初曲率和初扭率的非圆截面弹性细杆的螺旋线平衡及其稳定性。描述弹性细杆平衡状态的Kirchhoff方程存在与杆的螺旋线平衡状态相对应的特解。直杆和圆环杆为螺旋线状态的两种特例。文中分析了螺旋线的几何特性与作用力和力矩之间的相互关系，并导出螺旋线平衡的一次近似解析形式稳定性判据。分析表明，松弛状态下弹性杆可处于螺旋线状态，直杆只有在轴向压力的作用下才能保持螺旋线平衡。无初曲率和初扭率弹性杆的螺旋线平衡稳定性必要条件是杆截面绕副法线轴的抗弯刚度大于或等于绕法线轴的抗弯刚度。此条件也适用于带初扭率的圆环杆及更普遍情形。无初曲率和初扭率的圆截面杆的螺旋线平衡恒稳定。     

弹性细杆螺旋线平衡的动态稳定性

本文从动力学观点讨论具有初扭率的非圆截面弹性细杆的螺旋线平衡稳定性。弹性杆平衡的动态稳定性建立在以弧坐标s和时间坐标t为双自变量的离散系统的Lyapunov稳定性概念基础上。对于两端约束状况固定不变的弹性杆,若静态稳定性条件已满足,其与弧坐标对应的本征值可根据端部约束条件确定。则螺旋线平衡的动态稳定性由时间域的本征值判断。在缓慢受扰运动条件下,引入尺度缩小的时间变量T=εt,可将动力学过程视为对平衡状态的摄动。证明在ε^2计算精度范围内,当螺旋线平衡的一次近似静态稳定性条件得到满足时,考虑动力学因素的稳定性条件必也同时满足。     

受圆柱面约束弹性细杆的摩擦平衡分析

以一类工程对象为背景,研究圆柱面约束下的弹性杆的摩擦平衡问题.在对圆柱面上圆截面弹性杆位形和运动分析的基础上,导出了计入分布摩擦力的弹性杆平衡微分方程并无量纲化.由此得到了无摩擦时螺旋杆解的存在条件,以及存在摩擦时的不滑动的条件.分析表明,截面章动角对弧坐标的一阶导数和自转角对弧坐标的二阶导数表达的变形是分布摩擦力所致.就5类特殊的平衡位形,分别计算了内力和分布摩擦力集度,部分进行了数值计算,给予了静止与否的判定.为曲面上弹性杆的摩擦平衡或动力学分析提供方法和思路.     

受轴向力和扭矩作用的直杆的平衡稳定性

以受轴向力和扭矩作用的具有原始扭率的两端铰支圆截面直杆为对象，讨论其平衡的Lyapunov稳定性和欧拉稳定性．在Kirchhoff方程及线性化扰动方程基础上计算其欧拉载荷．压杆的欧拉载荷为其特例．     

复弯矩表示的非圆截面杆平衡的Schrdinger方程及其半解析解

弹性细杆的平衡和稳定性问题的研究在工程和分子生物学中有重要的应用背景。利用文中提出的复柔度概念,建立了用复弯矩表示的非圆截面杆平衡的Schrdinger方程。借助复曲率概念,导出以杆的曲率、挠率和截面相对Frenet坐标系的扭角为未知变量的2阶常微分方程,此方程与传统使用的Kirchhoff方程等价。文献中仅适用于圆截面杆平衡问题的Schrdinger方程为本文导出方程的特例。对于准对称截面杆,用小参数法分别建立了零次和一次近似方程,其中零次近似方程存在解析解。对于截面的主轴坐标轴与中心线的Frenet坐标轴重合的无扭转杆特殊情形,Schrdinger方程转化为Duffing方程,应用数值方法作出了Duffing杆变形后的三维几何图形。     

大变形轴向运动梁的精确动力学模型

轴向运动梁的横向振动是具有实际工程背景的动力学问题.该文应用Cosserat弹性杆模型讨论圆截面轴向运动梁的动力学建模及其运动稳定性.以沿梁中心线的弧坐标代替方向固定的坐标轴,根据梁截面的姿态随弧坐标和时间的变化确定梁的变形过程.从欧拉的速度场概念出发,考虑梁截面转动的惯性效应和剪切变形,建立大变形轴向运动梁的动力学方程.其小变形特例为轴向运动的三维Timoshenko梁.基于该模型分析了轴向运动梁准稳态运动的静态和动态稳定性,导出可导致失稳的临界轴向速度.证明空间域内的欧拉稳定性条件是时间域内的Lyapunov稳定性的必要条件.      

Transient analysis of Cosserat rod with inextensibility and unshearability constraints using the least-squares finite element model

In this study, time-dependent fully discretized least-squares finite element model is developed for the transient response of Cosserat rod having inextensibility and unshearability constraints to simulate a surgical thread in space. Starting from the kinematics of the rod for large deformation, the linear and angular momentum equations along with constraint conditions for the sake of completeness are derived. Then, the α-family of time derivarive approximation is used to reduce the governing equations of motion to obtain a semi-discretized system of equations, which are then fully discretized using the least-squares approach to obtain the non-linear finite element equations. Newton׳s method is utilized to solve the non-linear finite element equations. Dynamic response due to impulse force and time-dependent follower force at the free end of the rod is presented as numerical examples.     

A directed rod subjected to internal constraints

In this paper, the field equations for a directed rod are given. The form of the reaction forces with respect to a general internal constraint imposed on the rod is also derived, based on the assumption that the reaction forces do no work in any deformation compatible with the constraint. Finally, the rod subjected to both special and fundamental internal constraints is treated.     

DYNAMIC MODELING OF MULTI-BODY SYSTEM BASED ON GAUSS'S PRINCIPLE

基于高斯最小拘束原理,以释放中的绳系卫星为背景,建立地球引力场内变长度大变形柔索联系的多体系统动力学模型. 利用基尔霍夫动力学比拟方法将柔索的变形转化为刚性截面沿中心线的转动,使包含刚性分体与变形体的刚柔耦合系统转化为由柔索的刚性截面与刚性分体组成的广义多刚体系统. 由于刚性截面的局部小变形沿弧坐标的积累不受限制,适合描述柔索的超大变形. 文中对此刚柔耦合多体系统导出其在地球引力场中的拘束函数,考虑各分体在空间中相对位置的几何约束条件,利用拉格朗日乘子构成以条件极值问题为特征的数学模型. 将高斯原理用于多体系统动力学的建模,其特点是以寻求函数极值的变分方法代替微分方程,通过数值计算直接得出运动规律. 其形式统一,不随系统拓扑结构的变化而改变,也无需区分树系统或非树系统.对于带控制的多体系统,动力学分析还可根据技术需要与系统的优化结合进行.     

基于高斯原理的多体系统动力学建模

基于高斯最小拘束原理,以释放中的绳系卫星为背景,建立地球引力场内变长度大变形柔索联系的多体系统动力学模型. 利用基尔霍夫动力学比拟方法将柔索的变形转化为刚性截面沿中心线的转动,使包含刚性分体与变形体的刚柔耦合系统转化为由柔索的刚性截面与刚性分体组成的广义多刚体系统. 由于刚性截面的局部小变形沿弧坐标的积累不受限制,适合描述柔索的超大变形. 文中对此刚柔耦合多体系统导出其在地球引力场中的拘束函数,考虑各分体在空间中相对位置的几何约束条件,利用拉格朗日乘子构成以条件极值问题为特征的数学模型. 将高斯原理用于多体系统动力学的建模,其特点是以寻求函数极值的变分方法代替微分方程,通过数值计算直接得出运动规律. 其形式统一,不随系统拓扑结构的变化而改变,也无需区分树系统或非树系统.对于带控制的多体系统,动力学分析还可根据技术需要与系统的优化结合进行.      

SIMULATION OF TRANSVERSE VIBRATION OF SLENDER ROD STRING IN THE VERTICAL CYLINDER UNDER BUCKLING DISPLACEMENT EXCITATION1)

对于铅直圆筒内受交变拉压轴向载荷作用的细长杆柱,当杆柱底端所受到的轴向压力大于杆柱屈曲的临界载荷时,细长杆柱在圆筒内将产生螺旋屈曲,杆柱的屈曲变形将激励杆柱在圆筒内产生横向振动。以细长杆在圆筒内的瞬时屈曲构型作为杆柱横向振动的位移激励,建立了屈曲位移激励下的细长杆在圆筒内横向振动与杆管碰撞规律的仿真模型。采用有限差分法对井深进行离散,Newmark 法对时间进行离散,以恢复系数法建立了细长杆和圆筒的碰撞条件,对细长杆在圆筒内的横向振动数学模型进行了数值仿真。仿真结果表明,细长杆和圆筒内壁的碰撞现象主要发生在细长杆底端受压发生屈曲后,且几乎沿整个圆筒都有发生,从圆筒顶部至底部的碰撞力峰值逐渐增大;而在杆柱底端受拉时碰撞现象很少,碰撞力也较小。     

States of Equilibrium and Secondary Loss of Stability of a Straight Rod Loaded by an Axial Force

A general analytical solution of the problem of postcritical deformation of a straight incompressible rod loaded by an axial force is given. The bending of the rod is studied under various boundary conditions, and new states of equilibrium the occurrence of which is due to the secondary loss of stability are found. It is shown that, for simply supported and clamped rods, the solution bifurcates when the ends meet.     

基于软弹流润滑模型的液压格莱圈密封性能分析

基于软弹流理论建立了液压往复格莱圈密封的数值分析模型,该耦合模型包括流体力学、接触力学、变形和热分析.数值求解获得了密封区域的膜厚、流体压力和接触压力分布,以及单个行程的流量和活塞杆表面的摩擦力,揭示了液压往复格莱圈密封的密封机理.通过参数化进一步分析了不同密封表面均方根粗糙度、密封压力和往复速度对密封性能的影响.结果表明:在本研究中,密封区域表现为混合润滑状态,且以微凸体接触摩擦为主;较小的密封表面均方根粗糙度值具有较好的密封性能,增大密封压力会导致泄漏量和摩擦力均增加,而增大往复速度有利于减小泄漏量.     

A constitutive framework of plastically deformed damaged continuum and a formulation using theendochronic concept

The concepts of continuum damage mechanics (CDM) are discussed and aconstitutive framework of CDM is proposed for infinitesimal deformation based on the internalvariables approach. The framework involves transforming the actual damaged continuum into anequivalent fictitious undamaged continuum. A distinction is made between the state of damageand the damage measure. The development makes use of the concept of damage force. Thenegative of the damage force is related to the energy required to restore the fictitious undamagedcontinuum to its undamaged state after each step of deformation and damage. A set of equationand constraint governs the deformation of the fictitious continuum, while another set of equationand constraint governs the damage behavior. The coupling between the deformation and damageprocesses is provided for by the damage restoring force concept. Within the proposedconstitutive framework, the endochronic concept has been used to derive explicit constitutiveequations. The proposed model has been shown to describe the three-dimensional state ofdeformation of a cylindrical concrete specimen subjected to uniaxial compression.