多柔体系统动力学建模与优化研究进展

多柔体系统是由柔性部件和运动副组成的力学系统,在航空、航天、车辆、机械与兵器等众多工程领域具有广泛的应用前景, 其典型的代表包括柔性机械臂、直升机旋翼、卫星的可展开天线、太阳帆航天器等. 近年来,随着工程技术的发展,多柔体系统动力学问题日益突出,尤其是含变长度柔性部件的多柔体系统,不仅涉及其动力学 建模与计算,还涉及其动力学优化设计. 事实上,部件柔性对多柔体系统的动力学行为影响很大,直接影响到优化结果,因此需要发展基于多柔体系统动力学的优化设计方法. 本文首先阐述了多柔体系统动力学优化的研究背景及意义,简要回顾了多柔体系统动力学建模的3类方法:浮动坐标方法、几何 精确方法和绝对节点坐标方法,并介绍了含变长度柔性部件的多柔体系统动力学建模方法. 系统概述了多柔体系统动力学响应优化、动力学特性优化和动力学灵敏度分析3个方面的研究进展,并从尺寸优化、形状优化和 拓扑优化 3 个方面综述了多柔体系统部件优化的研究进展. 本文最后提出了在多柔体系统动力学优化研究中值得关注的若干问题.      

大变形薄板多体系统的动力学建模

基于非线性弹性理论,考虑剪切应变和横向应变,用绝对节点坐标法建立了大变形矩形薄板的动力学变分方程;为了提高非线性刚度阵的计算效率,根据非线性刚度阵与广义坐标阵的函数关系式,在非线性刚度阵中分离出广义坐标阵,从而避免了每个时间步长的单元刚度阵的积分运算。在此基础上,引入运动学约束关系,建立了大变形薄板系统第一类拉格朗日方程,对重力作用下大变形二连板进行数值仿真。计算结果表明:随着薄板的柔度增大,低频的弯曲变形与高频拉伸变形的耦合愈加显著;此外,系统机械能守恒验证了该模型正确性。     

多体空气动力学研究进展

多体飞行器普遍存在于航空航天、空天和武器领域中, 主要有以下三大类型: (1) 多个飞行器相互不接触的近距离飞行; (2) 多体飞行器相互接触或组合飞行; (3) 多体飞行器回收或解锁分离过程的相对运动. 多体飞行器在飞行、回收或分离过程中存在相互的流场干扰或作用, 使多体飞行器具有不同于孤立体飞行器的流动物理或特征, 特别是在超声速、高超声速的多体流动中, 多体间存在多重激波反射、衍射以及激波与旋涡、激波与边界层相互干扰或作用, 这些复杂流动能显著地改变多体飞行器的空气动力学特性. 作者引入“多体空气动力学”概念对多体飞行器这一类问题进行概括和总结, 并阐述其基本内涵、应用场景和研究方法/手段及典型多体构型的超声速/高超声速流动结构和特征.      

动力刚化多体系统动力学

本文利用几何非线性的应变－－位移关系，在小变形假设条件下，得到了一般柔性构件弹性有的广义价值标二阶小量表达式。在此基础上，利用Ｋａｎｅ方程的Ｈｕｓｔｏｎ方法，在推导偏（角）速度表达式后，作适当的线性化处理，以使动力刚度项得以保留，从而建立了动力刚化多体系统的动力学方程，仿真算例证明了该理论的正确性和有效性。     

多体动力学——模拟和分析方法

给出了对多体动力学模拟和分析方面近期进展的述评。多体动力学是应用力学中发展最快的领域之一。多体系统正越来越多地用来作为诸如机器人、机构、链系、缆系、空间结构和生物动力学系统等实际系统的模型。多体动力学方面的研究活动已经促进了许多子领域的研究,包括表述方法,系统模拟,数值计算方法以及图解表示法。本文对这些子领域也作了讨论和评述。     

挠性多体系统动力学

本文以递推形式给出了挠性多体系统的动力学方程。此方程具有如下特点:(1)对整个系统而言,方程数目多,但递推的每一步只需要解低维的方程组,从而避免了高维矩阵的求逆,减少了计算量。(2)对不同类型的问题,方程形式具有很高的相似性,便于程序编制,各个需要求逆的矩阵都是对称正定的,这样减少了计算量和计算机内存单元。(3)这种方程形式处理非树形和带有约束条件的系统很方便。     

风力机传动链多体系统动力学建模方法研究

以兆瓦级水平轴风力发电机组传动系统为研究对象,基于多体系统建模理论和集中参数法建立了精细的传动系统动力学模型。将传动系统分解成若干子系统,并进一步细化传动系统内部结构;根据子系统动力学模型和边界条件综合得到了传动系统的动力学方程;通过Matlab/Simulink构建相应的仿真模型,并应用其对1.5MW风力机传动链进行了仿真计算。结果表明:考虑齿轮箱各部件的柔性后,传动系统关键部件的振动出现较大范围的波动,且增加了机组总传动比的不稳定性。最后将仿真结果与多体系统动力学软件Adams建立的传动系统虚拟样机运行结果进行了比较,两者振动位移变化关系基本相同,验证了本文模型的有效性。此建模方法为实验室模拟风力发电系统和机组部件的优化设计提供了理论依据。     

多体系统动力学方程符号推导

符号演算又名计算机代数,是近二十年来蓬勃发展的计算机科学。用符号演算导出复杂的多体系统动力学非线性微分方程组,可以提高计算效率,计算精度,减轻人的劳动並为设计方案的选择提供快速分析的依据。本文介绍用FORTRAN-77在VAX/11—780上符号推导以6自由度机器人为例的多体系统动力学方程。文中方法可应用于航天器、机构等动力学方程推导。     

完全笛卡尔坐标描述的多体系统动力学

用完全笛卡尔坐标描述多体系统的运动学和动力学在提高计算效率方面有突出优点．导出用完全笛卡尔坐标表示的刚体及多体系统的动量和动量矩的解析式，给出与之对应的广义惯量矩阵概念，建立无力矩状态下用完全笛卡尔坐标描述的多体系统动力学的一阶微分方程组，用于多体航天器的姿态运动分析     

一种建立多体系统计算模型的新方法

本文根据约束的数学力学性质提出了一种新的多体系统建模方法。同传统的缩并法相比，本文所提出的方法具有更好的数值稳定性和较高的计算效率。     

热-动力学耦合多体系统建模与降阶

在轨运行的卫星天线受到太阳辐射热冲击后容易出现热致振动或指向不准确等问题, 严重时会导致航天器失效. 本文提出了一种基于改进模态综合法的刚柔热耦合多体系统建模与降阶方法. 采用绝对节点坐标法单元形函数对柔性天线的位移场与温度场进行统一离散插值, 避免了两种物理场网格不匹配带来的映射误差与效率问题, 并使用绝对节点坐标参考节点描述中心刚体. 在系统方程中考虑了热流输入和表面自热辐射. 针对绝对节点坐标法切线刚度阵高度非线性的特点, 利用一阶泰勒展开对系统动力学和传热学方程进行了分段线性化, 在线性化区间内切线刚度矩阵为常数矩阵, 避免了每个时间步上的弹性力及其雅克比矩阵的迭代计算, 并使得基于模态的降阶手段得以应用. 利用改进的模态综合方法划分子结构并缩减系统自由度. 相邻子结构之间通过约束方程保证连接精度和连续性. 通过纯导热半圆形薄板、薄板的热膨胀、柔性太阳能电池板和刚柔热耦合抛物线天线四个数值算例验证本文所提出方法的有效性. 结果表明, 本文提出的方法在保证仿真精度的前提下缩减了系统规模, 提高了仿真计算效率.      

刚柔耦合约束多体系统的动力分析

本文提出了描述多体系统的牵连坐标轴系统。该坐标轴系统由惯性参考系、牵连坐标系、物体坐标系及单元坐标系组成，从而实现了对刚体平动、刚体转动及弹性运动的分解，较好地消除了由于刚体大角度转动而产生的刚弹耦合非线性特性，以有限元方法为基础，应用拉格朗日方程建立了在该坐标系下的刚弹耦合约束多体系统的动力方程。该方程具有形式简洁、易于推导和编程等优点，本文并对方程的数值解法进行了研究，提出求解的广义坐标分块法，最后给出了一个典型多体系统的数值算例。     

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.      

多体系统动力学的高斯拘束分析方法

为研究高斯拘束原理下多体系统的动力学分析问题, 针对一类多体开环链状结构, 运用高斯拘束方法建立了动力学方程, 讨论了动力学方程的符号推导过程, 并给出了封闭形式的动力学方程解析表达式. 以刚性和柔性结构为例, 比较分析了不同分析方法、不同自由度下符号推导多体结构动力学方程的运算时间. 分析结果表明, 高斯拘束方法与传统的拉格朗日方法相比, 更适合于多体结构动力学方程的符号推导, 且结构自由度越高, 其运算优势越明显.高斯拘束方法为一种较好的多体系统动力学分析方法.     

DYNAMICAL ANALYSIS OF AUTOMOBILE HYSTERESIS NONLINEAR SYSTEM

This paper adopts free interface modal synthesis method to divide the whole automobile model into many sub-structures and establish dynamical equations of automobile nonlinear coupled system. The Monte Carlo method is used to simulate the spectrum of the random excitation of the road and the engine. Based on the automobile dynamical equations, a simulation is carried out within time domain and frequency domain on the characteristic of vibration due to the excitation of automobile wheel and the engine. The results are verified by bench experiment to make the research more practicable. In order to do research of rubber hysteresis’ influence on automobile dynamic property, Poincare diagrams and amplitude frequency characteristic curves were drawn with automobile linear and nonlinear models. The results show that the nonlinear dynamical model concerning rubber hysteresis not only can improve the simulation accuracy, but also is beneficial to find some complex nonlinear dynamical behaviors of vehicles.     

DYNAMICS ANALYSIS OF STOCHASTIC SPATIAL FLEXIBLE MULTIBODY SYSTEM 1)

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.     

树形多体系统非线性动力学的数值分析方法

研究了树形多体系统大线性动力学分析的数值方法,利用多体系统的正则方程及其线性化程,给出了多体系统Ｌｙａｐｕｎｏｖ指数和Ｐｏｉｎｃａｒｅ映射的计算方法,该算法具有较好的计算精度和通用性,既适用于说明该算法的有效性,并对该系统的动力学行为进行分析,最后用算例说明该算法的有效性,并对该系统的动力学特征（周期解、准周期解、分岔、混沌以及通往混沌的道路等）进行了分析。     

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分析人体双足步行的动态稳定性以及跳跃运动的动力学过程. 讨论与竞走和跑步运动有关的 力学问题.     

海洋平台的时域低阶建模与主动控制研究

以海洋平台为对象, 开展时域低阶建模与主动控制的研究. 首先采用OKID(observer/Kalman filter identification)辨识方法, 根据系统的输入和输出时间历程数据计算出系统的Markov参数, 然后采用特征系统实现方法(eigensystemrealization algorithm, ERA)建立起一个阶数较低的系统状态空间模型, 随后基于该低阶模型采用LQG (linear quadratic Gaussian)控制方法进行控制律的设计, 最后将该控制律引入到系统的有限元模型中进行反馈闭环控制, 验证控制律的有效性. 数值仿真结果显示, 所给方法是有效和可行的.