四元数在刚体与多刚体系统力学中的应用

本文简要地介绍了四元数在刚体与多刚体系统力学中的应用.主要有下列内容:四元数(欧拉参数)的简单介绍;在刚体有限转动理论方面的应用;四元数形式的刚体定点运动的运动学方程与动力学方程;多刚体系统四元数关联矩阵的构造;四元数形式的多刚体系统运动学方程与动力学方程.     

平面刚架弹塑性大位移分析的多刚体离散元法

本文基于多刚体－弹簧系统模型，给出了求解平面刚架结构弹塑性、大位移极限承载力分析的多刚体离散元法。文中首先推导了多刚体离散元法在总体坐标下的切线刚度阵，建立多刚体离散元法的增量平衡方程；而后推导了多刚体离散元的弹塑性弹簧系数矩阵，建立了多刚体离散元内力屈服面塑性铰法的增量求解格式，成功地进行了平面钢框架的弹塑性、大位移极限承载力分析。计算结果与其他数值方法或实验结果吻合良好，显示了多刚体离散元方法进行结构极限承载力分析这一复杂问题的优越性     

基于离散模型的混凝土构件破坏过程研究

刚体-弹簧元模型是一种离散化分析模型,可以反映连续体从开裂到破坏不连续过程的真实裂缝形态。本文在总结既有相关研究的基础上,引入并程序化刚体-弹簧元模型用于混凝土构件开裂破坏行为研究,特别是有关混凝土构件开裂后直至破坏的裂缝真实形态研究。首先确定了三维刚体-弹簧元模型中刚体单元的划分、弹簧元的特性（混凝土材料本构关系施加于弹簧元）、刚体单元与弹簧元装配方式、钢筋本构关系及其与混凝土相互作用,然后实现了刚体-弹簧元模型用于混凝土构件开裂破坏行为研究的程序化,并以剪切破坏的钢筋混凝土构件进行实例验证。结果表明,基于刚体-弹簧元模型的程序可以较为准确地反映该钢筋混凝土构件从开裂到破坏真实裂缝形态。     

关于四元数误差的计算

 讨论利用四元数描述刚体受控姿态运动时的误差计算问题. 导出用无限小扰动转角表示的四元数误差公式. 并由此导出刚 体角速度的四元数表达式.     

四元数旋转算子和螺旋算子

1.引言由于四元数具有其它定位参数和变换算法的综合优点和综合功能,因而在刚体和多刚体力学中的应用越来越广。本文正是利用了四元数表达的多样性和算法的多功能性,首先利用两个单位矢量的四元数乘积导出了四元数旋转算子,并通过其矩阵形式串通了其它参数形式的各种变换算子。     

基于欧拉四元数的3D刚体摆姿态控制的能量方法

3D刚体摆为一个刚体在重力、扰动和控制力或力矩的作用下绕一个固定、无摩擦的支点旋转,具有三个转动自由度的刚体摆模型.针对3D刚体摆姿态稳定的非线性控制设计问题,给出基于欧拉四元数描述的3D刚体摆的姿态运动方程,证明了系统满足无源性条件,构造了系统的Lyapunov函数,利用能量法设计出3D刚体摆的姿态控制律,并由LaSalle不变集原理证明了该控制律的渐近稳定性.仿真实验给出了3D刚体摆在悬垂平衡位置的姿态和角速度的渐近稳定性,仿真实验结果表明基于能量方法的3D刚体摆姿态控制是有效的.     

多刚体开链系统运动的四元数算法

1.前言近年来,多刚体系统力学越来越被人们所重视.目前国际上不仅感兴趣于多体系统的定位问题和运动学,而且对多体系统的动力学也作了一系列的研究. 所谓多刚体力学系统是指由这样的相连刚体所组成,其中相邻的刚体间至少具有一个公共点,若这些刚体不形成闭合回路,则称此系统为开链系统;否则称为闭链系统. 本文主要用四元数算法研究多刚体开链系统的运动,包括位移分析与速度分析.这种方法的优点除了能避免方程的奇异性,还在于它能有机地将矩阵算法和矢量算法统一     

四元数方法及其应用

本文全面地评述了四元数方法及其在现代科学技术中的应用,指出四元数具有其他定位参数和变换算子的综合优点和综合功能,不仅在刚体动力学中有广泛的用途,而且在一般多体系统的力学分析和控制中也有极其广阔的应用前景。      

单目视觉下基于对偶四元数的卫星姿态的确定

在航天器姿态动力学和机器视觉理论基础上,提出一种新的卫星姿态确定的算法。单目相机作为观测设备,用对偶四元数以及几何透视投影法,将从星3D姿态参数转换为2D照片平面参数。最后,将表征坐标变换的对偶四元数中的位移和旋转分量以及运动角速度和线速度作为状态量,2D坐标参数作为观测值,建立滤波器,得到了表示相对运动的对偶四元数的估计值。在30s内的仿真结果证明了对偶四元数在表示刚体运动变换时的优越性,为从星姿态测量找到一个更有工程应用价值的方法。     

刚体有限转动合成的可交换性

本文用四元数理论证明了任意顺序下刚体多次有限转动合成的可交换性定理,推广了二次有限转动合成可交换性定理的结论。文中表明用四元数方法证明该定理比矢量法更为简单。     

Comparative study of rock slope stability analysis methods for hydropower projects

This paper presents a comparative study of methods used for the analysis of the stability of rock slopes for hydropower projects. The comparison concerns the application of the limit equilibrium method, the block element method, and the finite element method on the stability analysis of two hydropower engineering projects in China. The study results show that the limit equilibrium method and the block element method give very close result, while the finite element method gives more conservative safety factor.     

The application of asymptotic solutions to characterising the process zone in almost complete frictionless contacts

A method is developed for characterising the nature of the plastic zone which develops along the boundary of any notionally complete frictionless contact but where, in practice, there is some small rounding. The approach consists of an outer asymptote, the solution for a semi-infinite square ended rigid punch, whose validity sets the upper limit to the load, and a nested inner asymptote, the solution for a semi-infinite rounded punch, which sets the lower limit to the load. The technique is applied, as an example, to a circular punch, and explicit values of the load given to ensure that the singular field characterises the local stress field to within a given degree of accuracy.     

基于自然单元法的轴对称结构极限上限分析

自然单元法是一种以自然邻近插值为试函数的新兴无网格数值方法,其形函数的计算不涉及矩阵求逆,也不需要任何人为参数。为了充分发挥自然单元法的优势,本文基于极限分析上限定理建立了轴对称结构极限上限分析的整套求解算法。轴对称结构的位移场由自然邻近插值构造,并且采用罚函数法处理材料的不可压条件。为了消除目标函数非光滑所引起的数值困难,采用逐步识别刚性区和塑性区,并对两者用不同方法进行处理。数值算例结果表明,本文提出的轴对称结构极限上限分析方法是行之有效的。     

基于等效加速度的岩质边坡爆破动力稳定性

基于刚体极限平衡法及等效加速度计算方法,根据爆破振动峰值速度衰减规律和振动速度时程曲 线,以一定时间步长进行整个爆破过程不同时刻边坡稳定系数的分析,得到了相应爆破振动作用下的边坡动 力稳定性安全系数时程曲线。结果表明,基于等效加速度的边坡爆破动力稳定性分析,对稳定性较好的边坡, 爆破振动荷载作用下,稳定性安全系数一般降低2%~4%,振动主频率越高,则边坡稳定性系数越大,而常规 的折减系数法可能放大爆破振动对边坡稳定性的危害。     

一种新的全四边形网格快速生成方法─—模板法

本文提出了一种正方形亲单元上实现网格在二个坐标方向均能过渡的全四边形单元生成方法．该方法允许正方形周边节点任意分布，并可以对单元密度进行控制，将该方法和映射法结合解决了用映射单元法对结构进行四边形单元划分时存在的网格过渡的这一关键问题。该方法计算量少，运算速度快，生成单元的形状良好。     

Analog-discrete approach for the solution of a class of rigid-contact problems

This investigation consists in finding stresses and displacements produced by a rigid footing (or punch) at the plane boundary of a semi-infinite elastic solid. The proposed method is a combined application of electrical analog and finite-difference technique and can be applied to any arbitrary shape of rigid footing (or punch). The experimental setup is very simple and the numerical-analysis part is easily amenable to computer programming. The method has been exemplified by 3 cases: (1) rigid strip footing (or punch); (2) rigid circular footing (or punch); and (3) rigid square footing (or punch) on a three-dimensional semi-infinite solid. The results, wherever possible, have been compared with exact solutions and have been found to be in close agreement.     

船台滑道下含软弱层岸坡的空间稳定分析

芜湖江东船厂新建船台滑道位于有较厚软弱土层的岸坡上。本文采用三维有限元和刚体极限平衡理论结合的方法分析岸坡稳定, 对不同潜在滑动面进行探索, 求解最小安全系数及相应滑动面位置。分析结果已在施工实践中得到证实。     

Sizing the slenderness of free-standing rocking columns to withstand earthquake shaking

This paper investigates the problem of sizing the width of tall free-standing columns with a given height which are intended to rock, yet shall remain stable during the maximum expected earthquake shaking. The motivation for this study is the emerging seismic design concept of allowing tall rigid structures to uplift and rock in order to limit base moments and shears. The paper first discusses the mathematical characterization of pulse-like ground motions and the dimensionless products that govern the dynamics of the rocking response of a free-standing block and subsequently, using basic principles of dynamics, derives a closed-form expression that offers the minimum design slenderness that is sufficient for a free-standing column with a given size to survive a pulse-like motion with known acceleration amplitude and duration.     

鄂西北山区降雨型边坡失稳模式和评价方法

2003年6月的一次连续降雨诱发了鄂西北山区郧漫公路沿线多处边坡失稳。根据边坡岩土体的组成和结构特征,总结出了5种典型的暴雨型边坡失稳模式：浅层堆积体滑移、含软弱面顺层滑移、切层边坡水压劈裂破坏、碎裂岩似弧形追踪破坏和块裂岩楔体滑移。根据边坡破坏特点和降雨作用形式提出了相应的评价方法,认为浅层堆积体在暴雨下含水量,即85%~100%液限含水量时易发生滑移,通过平面无限斜坡评价法计算边坡稳定性;含软弱面顺层边坡及块裂楔形体均为剪切滑移失稳,采用简化的刚体极限平衡法计算其稳定性;切层边坡中陡倾裂缝经历了卸荷张开－水压开裂－贯通破坏的过程,通过Ⅰ型裂缝扩展判据评价边坡稳定性;碎裂岩边坡发生类似弧形滑移的追踪破坏,采用连续介质圆弧法计算边坡稳定性。