链状柔性多体机器人系统动力学研究

本文基于Ｊｏｕｒｄａｉｎ变分原理建立了具有链状拓扑结构柔性多体机器人系统动力学通用模型，用在一致质量有限单元法及正则模态分析基础上引入的模态坐标描述构件的弹性形，用独立坐标描述相邻板件间的大位移运动，每个铰容许１－６个自由度，组强非线性惯性耦合的封闭形式的系统动力学微分方程组，文末对单弹性臂和双弹性臂机器人操作手进行动力学仿真。     

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.      

航天器多体系统动力学模型及仿真软件

本文以Newton-Euler方程为基础,应用旋量-矩阵方法推导的多体系统动力学理论模型,开发了相应的仿真软件,然后以单翼航天器太阳阵的展开为例,对多体系统进行了动力学仿真和分析.理论模型和仿真软件都充分考虑了其在航天器动力学分析中的通用性和实用性.     

多体系统动力学求解与动画输出的并行处理

在介绍了多体系统动力学的建模方法及数值仿真的原理之后，着重介绍如何利用局域网的技术，在多台计算机之间实现数值求解和动画计算与输出的并行处理。用一个柔性索动力学仿真算例，论证了该技术的可行性，为多体系统动力学仿真的并行处理打下了基础。     

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.      

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     

弹性杆-刚性体系统动力学分析的广义逆矩阵方法

将多刚体系统的广义逆矩阵方法推广到含弹性杆与刚性体的混合系统的动力学分析中,建立了以节点坐标表示的基于全局惯性坐标系的刚体-柔性体混合系统动力学方程.首先以两端节点坐标为变量推导了弹性杆的动力学方程,以刚性体节点坐标为变量推导了刚性体节点速度约束方程和刚性体动力学方程,最后得到弹性杆与刚性体混合系统的动力学方程和速度约束方程.本方法在同一个惯性坐标系对刚柔多体系统进行描述,具有方法简洁、便于计算建模的特点.论文最后给出两个数值算例,检验了方法的有效性.     

黎曼位形空间中约束多体系统的动力学分析

在黎曼位形空间中研究了约束多体系统的动力学问题．通过对约束矩阵的奇异值分解和修正的Ｇｒａｍ Ｓｃｈｍｉｄｔ过程构造了系统流形的法向和切向子空间的正交归一化基，将系统的动力学方程沿这双基进行投影，得到了求系统动力学响应的新型公式，给出了其数值分析的一种方法，并举了算例．     

一类种群动力学传染病模型的定性分析

本文对一类种群动力学传染病模型，运用定性分析方法，分析了奇点的拓扑结构，论证了正平衡点是全局稳定的，并得出该系统不存在板限环的结论．为研究该传染病的发生、流行、传播机制，及控制消灭该传染病提供了充分的理论依据．     

动力学,振动与控制学科未来的发展趋势

对近年来动力学，振动与控制的研究进展作了简要回顾，概述了非线性动力学与振动主动控制这两个研究热点的现状，提出了世纪之初应关注的若干研究前沿，即高维非线性系统的全局摄动法，全局分岔和混沌动力学，高维强非线性系统分岔与混沌动力学的实验研究，非线性时滞系统的动力学，流体－弹性体－刚体耦合系统动力学与控制，碰撞与变结构系统动力学，微机电系统动力学。最后，对我国动力学，振动与控制的发展提出了一些建议。     

超磁致伸缩换能器的磁滞非线性动力学仿真

在超磁致伸缩材料输出端位移假设的基础上,建立了以输出顶杆为研究对 象、考虑材料内部磁滞非线性及预压弹簧特性的超磁致伸缩换能器非线性动力学模 型; 并将Simulink仿真系统应用到超磁致伸缩换能器系统动力学仿真中. 仿真结果表 明: 换能器模型系统为稳定周期运动系统,并具有滞回非线性特性;弹簧非线性项中的平方 项是影响换能器模型系统的主要因素. 经验证,数值计算结果与文献给出的试验测试结果吻 合较好.     

刚柔耦合定位平台结构-运动-控制一体化建模

针对微电子制造行业等领域中的长行程高精度定位问题,提出了一种刚柔耦合定位平台,并建立了其结构-运动-控制一体化动力学仿真模型。首先,根据刚柔耦合定位平台的结构特点对浮动坐标法进行修改,建立了简洁高效的动力学仿真模型。其次,结合动力学模型、3阶S型曲线和经典的PID控制方法建立了结构-运动-控制一体化仿真模型。最后,通过数值算例对仿真模型的有效性进行了验证。数值模拟结果显示,建立的结构-运动-控制一体化仿真模型能够有效地对定位平台的工作过程进行模拟,为后续的结构优化、运动规划和控制系统设计等工作创造条件。     

An approach for the coupled simulation of machining processes using multibody system and smoothed particle hydrodynamics algorithms

The prediction accuracy of a simulation method is limited by its theoretical background. This fact can lead to disadvantages regarding the simulation quality when investigating systems of high complexity, e.g. containing components showing a fairly different behavior. To overcome this limitation, co-simulation approaches are used more and more, combining the advantages of different simulation disciplines. That is why we propose a new strategy for the dynamic simulation of cutting processes. The method couples Lagrangian particle methods, such as the smoothed particle hydrodynamics (SPH) method, and multibody system (MBS) tools using co-simulations. We demonstrate the capability of the new approach by providing simulation results of an orthogonal cutting process and comparing them with experimental data.     

Improving the dynamic stability of a workpiece dominated turning process using an adaptronic tool holder

In this contribution, inside turning of a thin-walled cylinder is investigated in simulation. Self-excited vibrations can arise due to repeated cutting of the same surface, that lead to instability. A flexible multibody system model of the system is the basis for a subsequent analysis of the stability of the process. Stability analysis is done using an approximation as a time-discrete system via the semi-discretization method. An adaptronic turning chisel comprising a piezo actuator and sensors is then used in combination with different control concepts to improve the stability of the process. The effectiveness of the different strategies is compared based on the influence on the stability charts. A classic H_∞ controller based on a model of the coupled system of workpiece and tool can only yield some improvements, when an additional measurement of the workpiece displacement is added. Incorporating knowledge on the cutting process coupling workpiece and tool using a gain scheduled H_∞ controller allows further improvements. However, robustness with respect to model uncertainties, notably concerning the force law, remains an issue.     

航天器太阳阵伸展过程最优控制的遗传算法

本文讨论航天器太阳阵伸展中航天器姿态的最优控制问题。利用动量矩守恒原理导出带太阳阵航天器的动力方程,指出了系统的非」完整约束性质。将航天器太阳阵展开过程中主体姿态控制问题转化为非线性系统最优控制问题。厚优控制中引入遗传算法,替代传统的牛顿迭代方法。提出基于遗传算法的非完整运动规划最优控制算法。通过数值仿真表明,该方法对太阳阵伸展过程航天器姿态控制是有效的。     

Fast simulation of flexible multibody dynamics with electric-hydraulic drive system

Hardware in the loop simulation (HILS) has been investigated in the field of the multibody dynamics (MBD), which combined the MBD simulation with the actual mechanical system. The fast simulation is necessary for the HILS system in order to require the real time simulation. This paper presents a fast simulation technique using the domain decomposition method with the iteration in the flexible multibody system in which flexible linkage system and electro-hydraulic drive system are coupled with each other.     

Partition method for impact dynamics of flexible multibody systems based on contact constraint

The impact dynamics of a flexible multibody system is investigated. By using a partition method, the system is divided into two parts, the local impact region and the region away from the impact. The two parts are connected by specific boundary conditions, and the system after partition is equivalent to the original system. According to the rigid-flexible coupling dynamic theory of multibody system, system＇s rigid-flexible coupling dynamic equations without impact are derived. A local impulse method for establishing the initial impact conditions is proposed. It satisfies the compatibility con- ditions for contact constraints and the actual physical situation of the impact process of flexible bodies. Based on the contact constraint method, system＇s impact dynamic equa- tions are derived in a differential-algebraic form. The contact/separation criterion and the algorithm are given. An impact dynamic simulation is given. The results show that system＇s dynamic behaviors including the energy, the deformations, the displacements, and the impact force during the impact process change dramatically. The impact makes great effects on the global dynamics of the system during and after impact.     

DYNAMICS MODELING AND EXPERIMENT OF A FLEXIBLE CAPTURING MECHANISM IN A SPACE MANIPULATOR 1)

柔性捕获机构是空间机械臂的关键性部件, 对空间在轨服务过程中的抓捕操作起着至关重要的作用. 捕获机构的原理分析与仿真建模工作对在轨捕获工况预测分析和任务规划有着重要的应用价值. 本文以空间机械臂的末端柔性捕获机构为研究对象, 建立了柔性捕获机构软捕获过程的动力学仿真模型. 考虑了软捕获过程中柔性绳索的空间构型和大变形特性, 采用绝对节点坐标方法建立了三维空间柔性绳索单元, 并通过引入一圆柱参考坐标系来建立柔性绳索与目标适配器端刚性捕获杆的接触碰撞模型. 为满足三维运动工况验证, 搭建了纯被动边界条件的悬吊实验, 通过对比软捕获过程中被捕获目标的运动信息和受力信息, 验证了模型的准确性. 实验结果表明该模型能够有效地模拟在轨捕获任务中柔性机构软捕获阶段的动力学行为, 可以用于后续与空间机械臂联合仿真任务预测以及作为地面气浮台二维试验的必要补充. 此外, 针对在轨任务中的舱外状态巡检和漂浮目标捕获两种典型工况, 进行了机械臂捕获动力学联合仿真分析, 在给定条件下成功完成软捕获阶段的操作.     

Hybrid dynamics of two coupled oscillators that can impact a fixed stop

We consider two linearly coupled masses, where one mass can have inelastic impacts with a fixed, rigid stop. This leads to the study of a two degree of freedom, piecewise linear, frictionless, unforced, constrained mechanical system. The system is governed by three types of dynamics: coupled harmonic oscillation, simple harmonic motion and discrete rebounds. Energy is dissipated discontinuously in discrete amounts, through impacts with the stop. We prove the existence of a non-zero measure set of orbits that lead to infinite impacts with the stop in a finite time. We show how to modify the mathematical model so that forward existence and uniqueness of solutions for all time is guaranteed. Existence of hybrid periodic orbits is shown. A geometrical interpretation of the dynamics based on action coordinates is used to visualize numerical simulation results for the asymptotic dynamics.     

基于动态本构模型的整流罩铰链系统自冲击分析

整流罩铰链系统结构分析是大型整流罩分离分析的重要环节,也是国内新一代运载火箭研制过程中的关键技术之一。基于30CrMnSiA和ZTC4-1的力学性能试验研究,得到材料的动态本构模型,并建立整流罩及动态本构模型下的铰链系统有限元模型。通过非线性显式动力学分析方法,对铰链系统自冲击过程进行仿真,得到冲击作用下铰链系统的应力和应变情况,并通过内力分析得到自冲击过程中铰链系统的主要内力形式。最后,通过比较铰链系统动态本构与准静态本构下的自冲击响应,验证并说明了动态本构模型对铰链系统自冲击仿真的影响。计算结果表明,自冲击作用会使铰链系统发生塑性变形,且动态本构模型有利于反映真实结果,为新一代运载火箭的研制提供一定的参考价值。