考虑曲率纵向变形效应的大变形柔性梁刚柔耦合动力学建模与仿真

对在平面内做大范围转动的中心刚体柔性梁系统的动力学进行了研究,建立了考虑大变形效应的系统刚柔耦合动力学模型,并进行了动力学仿真.该动力学模型不但考虑了柔性梁横向弯曲变形和纵向变形(包含轴向拉伸变形和横向弯曲变形而引起的纵向缩短项),还考虑了纵向变形对曲率的影响,称为曲率纵向变形效应.在以往的研究中,柔性梁的横向弯曲变形能往往直接使用柔性梁横向弯曲变形来表达,并没有考虑纵向变形的影响.为了考虑柔性梁纵向变形对横向弯曲变形能的影响,在浮动坐标系下使用柔性梁参数方程形式的精确曲率公式来计算柔性梁的弯曲变形能.在此基础上建立了基于浮动坐标系的考虑曲率纵向变形效应的刚耦合动力学模型.论文给出了数值仿真算例,验证了本文所建的动力学模型既能适用于柔性梁的小变形问题,又能适用于大变形问题,且较现有高次刚柔耦合动力学模型更加适用于大变形问题的处理.论文还通过与能处理柔性梁大变形问题的绝对节点坐标法的比较,验证了模型的正确性.      

一类带柔性附件充液航天器姿态机动控制

基于Lyapunov稳定性理论研究了用动量轮控制一类带轻质悬臂梁附件的充液航天器的姿态机动控制问题, 其中晃动液体用黏性力矩球摆模型代替, 悬臂梁附件用若干集中质量代替. 用动量矩定理和Lagrange方程分别推导得到航天器主刚体、等效球摆、等效集中质量的动力学方程, 所用反馈控制律包含了与动量轮角加速度密切相关的权重因子, 利用系统初、终状态和到达最终姿态所需时间解析确定此权重因子. 同时利用Lyapunov稳定性理论得到了实现最终姿态机动的稳定性判据. 数值仿真表明所用控制律的有效性, 分析附件的相对主刚体平面的转角、相对系统质心的高度、长度、刚度、质量、阻尼系数和到达最终姿态所需时间等因素对控制过程中航天器剩余章动角的影响大小.      

耦合变形对大范围运动柔性梁动力学建模的影响

柔性梁在作大范围空间运动时,产生弯曲和扭转变形,这些变形的相互耦合形成了梁在纵向以及横向位移的二次耦合变量。本文考虑了变形产生的几何非线性效应对运动柔性梁的影响,在其三个方向的变形中均考虑了二次耦合变量,利用弹性旋转矩阵建立了准确的几何非线性变形方程,通过Lagrange方程导出系统的动力学方程。仿真结果表明,在大范围运动情况下,仅在纵向变形中计及了变形二次耦合量的一次动力学模型,与考虑了完全几何非线性变形的模型具有一定的差异。     

柔性索网结构的非线性变形

根据柔索应变与位移的非线性几何关系以及自重作用和温度影响下的平衡方程,采用欧拉描述的坐标系精确地求得了各点的位移和张力的解析解。对柔性索网结构建立的非线性代数方程组应用改进的Powell混合算法编制的高精度DNEQNF程序直接进行求解,给出了平面索网变形分析的数值算例并与相关文献进行了比较。算例结果表明与其它方法相比,本文方法对求解柔索的非线性变形问题求解简单,便于应用。     

中心刚体-柔性梁系统的耦合变形影响

本文对作大范围运动的中心刚体-柔性梁系统的耦合变形的影响进行研究.给出一种新的描述柔性梁耦合变形的有限元插值方法,该方法采用笛卡尔变形坐标对横向变形和纵向变形之间的耦合项进行描述,该耦合变形项只与本单元的节点变形坐标相关.分别讨论了耦合变形项对惯性力与弹性力的贡献,分析了它们对刚-柔耦合动力学行为的影响.通过研究指出当采用笛卡尔变形坐标描述时,如果在计算弹性力的时候考虑了耦合变形影响,无论在计算惯性力时是否考虑耦合变形影响,都可以得到稳定收敛的结果.反之,如果在计算弹性力时忽略了耦合变形影响,无论在计算惯性力时是否考虑耦合变形影响,当大范围运动的速度较高时,将会得到错误的发散的结果.因此,通过忽略耦合变形对质量分布的影响,只保留耦合变形对弹性力的影响,可实现对动力学方程的简化.     

柔性全充液航天器大角度姿态机动混沌动力学

研究了受液体燃料黏性阻尼及柔性附件扭振影响的全充液航天器由最小惯量轴向最大惯量作大角度姿态机动过程中的混沌姿态动力学, 尤其是液体燃料和柔性附件振动的耦合效应对航天器姿态动力学的影响. 推导了耦合系统的动力学方程并利用尺度化方法将其转化为扰动系统的标准形式以便应用Melnikov方法对系统进行混沌姿态预测.推导了以系统参数形式表达的混沌姿态预测的解析准则. 将利用数值方法所得到的对系统的数值仿真结果与Melnikov解析准则进行了比较和评述. 研究了诸如航天器构型、液体燃料惯量及阻尼、柔性附件固有频率等系统特征量对混沌姿态的影响.      

运动柔性梁非线性振动主动控制的建模与分析

采用运动参考系方法,根据Ｊｏｕｒｄａｉｎ动力学普遍方程,导出了具有给定空间运动的弹性结构的有限元方程,进而得到其闭环振动控制方程,采用分段线性化的思想,由线性二次优化理论导出了有闭环反馈控制的以分段压电片作为执行器的运动柔性杆梁结构非线性振动的主动控制的分析方法,两个算例验证了所提方法的有效性。     

部分浸入水中的柔性梁非线性自由振动

研究了浸入水中的柔性梁非线性自由振动,假设其底端具有线弹性扭转弹簧支撑,顶端附有不计体积的集中质量块.推导了梁的运动控制方程和边界条件,由于考虑了大挠度,法向运动和轴向运动是非线性耦合的,使用Morison方程给出了流体力的表达式,利用有限差分法和Runge-Kutta法数值分析了梁在真空中和在水中的自由振动,讨论了参数对振动模态、固有频率等的影响.     

多自由度柔性结构非线性随机振动响应分析方法

随机等效线性化方法是多自由度结构非线性随机振动分析的有效方法,然而柔性结构隐式的系统方程限制了该方法的应用.本文首先提出了把多自由度柔性结构隐式系统方程显式化的等效非线性系统建立方法,该方法结合模态分析,将系统几何非线性作用等效为模态坐标的高次多项式组合,把多自由度物理系统转化为容易求解的模态系统;在此基础上运用随机等效线性化技术建立柔性结构非线性随机振动响应分析方法.该方法通过引入虚拟激励原理,大幅提高了计算效率,使对多自由柔性结构的非线性随机振动响应分析成为可能.通过算例分析,本文分析结果和精确解与数值模拟解的比较结果表明,本文方法具有较好的计算精度和较高的计算效率,能够应用于实际柔性工程结构的随机振动响应分析.     

考虑几何非线性的柔性光伏支架变形与刚度分析

柔性光伏支架采用了小垂跨比（小于1/30）的悬索结构,具有很强的几何非线性。本文以直线状态索拉力为初始条件,给出了均布载荷下跨中垂度的三次方程和垂度显式解析解,求出考虑大变形几何非线性的索力高精度近似解;通过对平衡方程和垂度方程微分,得到了平衡状态的竖向切线刚度;通过对工程算例进行分析,并与非线性有限元计算结果进行对比,跨中垂度、索拉力误差均不超过0.5%。本文所得到的静力计算公式简单、准确,平衡状态竖向切线刚度物理意义明确,可为柔性光伏支架静力分析和结构设计提供参考。

     

矩形薄板的刚柔耦合动力学系统的建模理论研究

以由中心刚体与柔性板构成的刚柔耦合系统为对象,研究了零次近似模型和耦合模型在动力学方程以及实际计算中表现出来的差异.首先,从连续介质理论出发,在变形位移中,计及了在结构动力学中被忽略的变形位移的附加耦合项,建立了由中心刚体与柔性板构成的刚柔耦合系统的一次近似动力学模型.用一致质量有限元法对柔性板进行离散,基于Jourdain速度变分原理推导出大范围运动为自由的柔性板刚柔耦合动力学连续变分方程.通过数值仿真研究中心刚体和柔性板的大范围运动和变形运动的规律,揭示刚柔耦合动力学性质.通过数值对比,指出了零次近似模型的局限性.     

柔性梁斜碰撞问题的非线性动力学建模和实验研究

本文研究柔性梁点面斜碰撞问题。用Hertz接触模型处理法向撞击力,分别用Hertz切向接触模型和Coulomb摩擦力模型处理粘滞状态和滑动状态的摩擦力。从精确的应变与位移的关系出发,用绝对节点坐标法建立了柔性梁的动力学方程。为了准确地处理斜碰撞切向运动的复杂状态,提出滑动-粘滞切换的准则,在此基础上,设计了斜碰撞实验,数值对比了法向撞击力和法向速度的时间历程的仿真计算结果与实验结果,验证了Hertz理论在斜碰撞情况下的正确性。另一方面切向速度的实验与理论的结果对照表明滑动-粘滞切换准则的有效性。     

柔性机械臂的两种逆动力学方法

本文提出了柔性机械臂运动控制和振动抑制的两种有效的开环控制方法——两点边值逆动力学方法和轨迹规划逆动力学方法。两种逆动力学方法所设计的开环输入不仅可以实现柔性机械臂的点位运动或跟踪优化轨迹，而且同时显著降低或消除了结构柔性对其精确定位的影响。数值模拟和实验证实了理论分析结果     

一种求解柔性多体系统动力学方程的新方法

柔性多体系统控制方程是具有stiff性质的刚柔耦合非线性代数一微分方程组,本文提出了一种求解该类刚性方程组的数值方法,在每一时间步,利用Newmark-β直接积分法计算迭代初值,基于控制方程及约束方程的泰勒展开,推导出Newton-Raphson迭代公式,对位移及拉格朗日乘子进行修正,最后,引用Blajer提出的违约修正方法对数值积分过程中约束方程的违约进行修正。就两个典型算例进行了数值仿真,结果证明了本文方法的有效性。     

弹性支承滑动轴承不平衡转子系统非线性动力稳定性和分岔的研究

研究弹性支承滑动轴承不平衡转子系统的稳定性及分岔特性。建立了弹性支承-滑动轴承-转子非线性动力系统的力学模型，在油膜力非线性的情况下，应用数值模拟，采用打靶法计算了刚性转子系统的周期解，并与龙格-库塔法计算的结果进行了对比，依据Floquet理论，分析了周期解的稳定性，再结合龙格-库塔法、Poineare映射法作出了系统运动分岔图。最后，讨论了轴的柔性对转子系统运动稳定性的影响。     

多种非线性力作用下不平衡弹性转子的分岔特性

研究了4自由度不平衡弹性转子在非线性油膜力、非线性内阻力和非线性弹性力联合作用下的动力学特性。结果表明，当只有非线性油膜力作用时，转子只存在由于油膜失稳而导致的倍周期分岔。而当非线性油膜力与非线性内阻力共同作用时，在油膜失稳后，转子产生低频振动。转速继续增加，还会诱发内阻失稳，产生概周期运动。在倍周期分岔中，存在分岔激变现象。本文发现的由于油膜涡动而导致的内阻失稳(概周期运动)是一种未见报道的转子失稳模式(组合失稳)，它与油膜失稳(倍周期运动)一起可作为转子故障诊断的典型失稳模式。     

NONLINEAR DYNAMIC ANALYSIS OF FLEXIBLE MULTIBODY SYSTEM

The nonlinear dynamic equations of a multibody system composed of ?exible beams are derived by using the Lagrange multiplier method. The nonlinear Euler beam theory with inclusion of axial deformation e?ect is employed and its deformation ?eld is …     

Passive Transient Wave Confinement Due to Nonlinear Joints in Coupled Flexible Systems

We numerically study transient wave propagation in linear flexiblewaveguides coupled by means of nonlinear backlash joints. No structuraldisorder is assumed to exist in the repetitive systems underconsideration. Early-time spatial confinement of the wave motion due tothe backlashes is detected for certain values of the systems'parameters. A discussion of the causes of this nonlinear wavelocalization is given. A transient confinement indicator is establishedand employed for the design optimization of the backlash joints foroptimum energy confinement in the directly forced subsystem. Theoptimization study reveals that strong passive motion confinement canoccur, even when strong coupling between subsystems exists,complementing previous studies in the literature where nonlinearlocalization due to weak subsystem coupling was investigated. Thepresent results have applicability to designs of joints for practicallarge-scale repetitive space structures.     

Development of a Robust Nonlinear Observer for a Single-Link Flexible Manipulator

Accurate measurements of all the state variables of a given system are often not available due to the high cost of sensors, the lack of space to mount the transducers or the hostile environment in which the sensors must be located. The purpose of this study was to design a robust sliding mode observer that is capable of accurately estimating the state variables of the system in the presence of disturbances and model uncertainties. It should be emphasized that the proposed observer design can handle state equations expressed in the general form. The performance of the nonlinear observer is assessed herein by examining its capability of predicting the rigid and flexible motions of a compliant beam that is connected to a revolute joint. The simulation results demonstrate the ability of the observer in accurately estimating the state variables of the system in the presence of structured uncertainties and under different initial conditions between the observer and the plant. Moreover, they illustrate the deterioration in the performance of the observer when subjected to unstructured uncertainties of the system. Furthermore, the nonlinear observer was successfully implemented to provide on-line estimates of the state variables for two model-based controllers. The simulation results show minimal deterioration in the closed-loop response of the system stemming from the usage of estimated rather than exact state variables in the computation of the control signals.Contributed by Professor R. A. Ibrahim.     

Deformation of Particulate Composite with Physically Nonlinear Inclusions and Microdamageable Matrix

The structural theory of short-term damage is generalized to the case where the matrix of a particulate composite has microdamages and the inclusions deform nonlinearly. The basis for this generalization is the stochastic elasticity equations of a porous-matrix particle-reinforced composite. Microvolumes of the matrix meet the Huber-Mises failure criterion. A balance equation for damaged microvolumes is derived. The balance equation and the equations relating macrostresses and macrostrains of a particulate composite with porous matrix and physically nonlinear inclusions constitute a closed-form system. The system describes the coupled processes of physically nonlinear deformation and microdamage. Algorithms for calculating the microdamage-macrostrain relationship and plotting deformation diagrams are proposed. Uniaxial tension curves are plotted for the case where the material of inclusions is linearly hardening__________Translated from Prikladnaya Mekhanika, Vol. 41, No. 2, pp. 3–11, February 2005.