利用Kane多刚体动力学模型仿真举重运动

多刚体动力学模型计算与仿真人体举重过程可以优化运动员的动作技术并预测其效果。根据举重过程人体运动的特点,将人体简化为6刚体动力学系统,建立Kane多刚体动力学模型方程,以高速数字摄像拍摄的举重运动过程序列图像的初始夹角与角速度作为初始条件,对举重过程进行计算与仿真,并通过与拍摄的实际举重运动图像比较来验证模型仿真的准确性,研究多刚体动力学模型计算与仿真人体举重过程的方法。结果表明,多刚体动力学模型计算与仿真的人体举重过程与摄像拍摄的实际过程基本相符,两种方法获取的关节坐标的误差约在4~8%,离初始时刻的时间越长则模型计算与仿真结果的误差就越大,呈现误差累积效应。     

强脉动压力下飞行器随机振动分析算法与并行实现

以飞行器再入大气层过程中承受多点强相关脉动压力下的随机振动分析为研究背景,从自由体模态分析入手,考虑脉动压力之间的强相关性,建立自由体动力学方程并推导刚-弹模态耦合作用下的随机振动理论,完成算法设计并在自主并行软件平台PANDA中进行代码实现,通过典型飞行器算例开展正确性验证和应用研究.研究表明:飞行器再入过程的刚体运...     

利用刚体转动惯量实验仪验证转动定律的设计

介绍了设计性实验“利用刚体转动惯量实验仪验证转动定律”.该实验要求学生理解刚体动力学原理;利用实验室现有的仪器,对刚体转动惯量实验仪进行改装;提出新的实验原理,可以对阻力矩进行估测,利用该实验装置验证刚体定轴转动定律.     

强耦合面对称飞行器横航向模态控制效能

面对称飞行器具有强耦合、弱阻尼的特点,为实现其横航向模态的高效控制,对控制策略效能及高效控制策略选择判据进行了研究.通过建立稳定轴系下横航向耦合动力学模型,得到了模态特征简化表达式;分析了有效的模态控制策略,并推导了各控制策略的效能公式;通过对各控制策略效能的对比分析得到了耦合特征下的高效模态控制策略选择判据;最后通过根轨迹分析、模态特性评估与6自由度仿真进行验证,结果表明理论公式与分析仿真结果一致.高效模态控制策略选择判据能够准确表征不同控制策略的效能关系,可用于指导强耦合面对称飞行器横航向模态控制方案设计.      

旋转圆环上的珠子动力学

对于放置在旋转圆环凹槽上的珠子,当圆环旋转时,珠子将产生一系列运动行为。可以将珠子视为刚体,研究珠子的动力学,考虑滚动摩擦和黏滞阻力两种形式的阻力,用分析力学方法推导其运动方程,并讨论相关动力学变量,包括平衡点超临界分叉、小振动周期等条件,通过实验模型进行逐一验证。并对特殊条件下进行的受迫振动进行了理论和实验研究。     

考虑结合部特征的?150 mm口径反射镜模型修正

针对?150 mm口径反射镜受结合部的非线性因素影响导致结构分析模型精度较差的问题,提出了线性的动力学等效建模与参数修正方法。首先,在实际装配和约束环境下测试并获得了反射镜结构的试验模态参数。然后,根据界面结合部的动力学特征,对反射镜结构按照镜框固定连接模型、镜面螺钉夹持模型以及间隙等效模型进行了等效建模。最后,以试验模态参数为修正目标,采用优化方法对反射镜结构的动力学等效模型进行了参数修正,并采用模型分层和分步修正的思路,依据结合部特征将修正模型细分为两部分,提高模型参数的修正效率。结果表明,参数修正后的固有频率平均误差为1.5%,模态置信度均大于0.8,提升了反射镜结构的动力学模型精度,验证了线性化等效建模方法的正确性。     

基于等效参数反演的敷设声学覆盖层的水下圆柱壳体声散射研究

应用了一种等效方法计算敷设声学覆盖层无限长圆柱壳体水下声散射特性.等效方法的核心是忽略复杂声学覆盖层内部的声学结构,将其作为具有等效材料参数的均匀阻尼层进行建模,该均匀阻尼层具有和原覆盖层相同的复反射系数.进而,应用COMSOL Multiphysics软件建立敷设均匀阻尼层圆柱壳体的有限元模型并求解其声散射特性.等效方法的关键是等效材料参数的获取.采用充水阻抗管实验和有限元数值实验两种方法获取声学覆盖层贴敷在与壳体具有相同厚度、相同材料背衬条件下的复反射系数,在此基础上,基于遗传算法反演材料的等效参数.研究表明,等效参数具有频变特性,且尽管等效杨氏模量和等效泊松比在频率范围内存在较大波动,但是等效前后复反射系数仍保持一致.为了验证等效方法求解壳体声散射特性的准确性,同时建立了敷设声学覆盖层壳体的完整有限元模型,将覆盖层内部声学结构进行精细建模,并求其声散射特性.结果表明,两种方法求得的形态函数符合得较好,在整个频率范围内平均误差大约为1 d B.     

声学超表面抑制Mack第2模态机理与优化设计

从理论上推导了声学超表面对平面声波的作用模型,该理论模型计及声波高阶衍射模态,从而能够计及超表面微结构之间的声学干扰.通过与数值结果对比,该模型预测的反射频率精度得到了一定程度的提高,并能够分辨出相邻孔声场之间的耦合模态.讨论了声学超表面吸声特性与阻抗特性对高超声速边界层内Mack第2模态的抑制机理,研究发现通过设计超表面阻抗特性,使得入射声波与反射声波在壁面处相位相反,同样可以抑制Mack第2模态.基于理论模型,分别优化设计得到最优的微结构几何尺寸,并通过对Mach 6平板边界层流动进行稳定性分析,验证了超表面不同声学特性的抑制效果.      

基于最小关节力矩优化的自由浮动空间刚柔耦合机械臂混沌动力学建模与控制

采用拉格朗日法、假设模态法和系统动量守恒原理,推导了一种平面内三连杆的自由浮动刚柔耦合冗余度空间机械臂的动力学模型.基于最小关节驱动力矩优化,建立了自由浮动刚柔耦合冗余度空间机械臂的混沌运动状态方程,采用混沌数值方法分析机械臂运动中的混沌现象,分别在工作空间、关节空间和模态空间,设计鲁棒Proportional-Derivtive(PD)补偿控制、延迟反馈控制和模态力最优控制,实现了轨迹跟踪、混沌运动抑制和振动控制.通过数值仿真验证了建模与控制方法的有效性.     

刚体力学(一)

刚体力学是牛顿力学的重要组成部分.无论从刚体运动的形态(运动学)方面还是动力学方面看,刚体比质点要复杂得多.然而,刚体运动学的研究,以及以质点纵动力学普遍定量为基础进行的刚体动力学的研究都取得了成功.其中克服了许多困难,而这些困难的克服也正是这部分理论的精采和成功之处. 刚体力学的内容可分为二部分:(一)刚体运动学;(二)刚体动力学;(三)刚体静力学.刚体静力学可作为刚体动力学的特殊情况,由于它的内容相对来说简单一些,本文不似讨论,一、刚体运动学 刚体运动学研究刚体运动的描述问题和刚体运动的分析方法,使人们对刚体的运动过…     

基于流固耦合的油底壳振动噪声预测分析

为了对油底壳的改进方案进行噪声预测,首先建立油底壳的流固耦合有限元模型,进行耦合模态计算,获得其固有频率和振型,通过模态试验验证了耦合有限元模型的准确性;其次,在发动机工作过程中,通过试验测得油底壳各螺栓固定处的振动加速度;再次,基于模态结果,在油底壳各螺栓固定处施加测试的振动加速度,采用有限元的分析方法对油底壳进行了强迫振动计算和辐射噪声计算,并进行了试验对比,结果表明该方法可用于发动机开发试验确认阶段,对油底壳改进方案进行振动噪声的预测,减小开发风险;最后,对含油量多少对辐射噪声的影响进行了对比分析。     

高能光源束流位置探测器支撑架结构优化设计

从热稳定性和振动稳定性两个角度出发,优化设计得到了超高稳定的刚性支撑架结构;通过ANSYS有限元模态分析,验证了结构的热膨胀变化量和特征频率;采用混凝土二次灌浆方法对支撑架进行地面固定和特征频率测试,结果表明,支撑架结构的特征频率达到61.9 Hz、振动幅值小于30 nm,均满足设计要求。最后采用动态刚度测试方法,得到混凝土二次灌浆层的主要刚度值,进一步验证支撑架结构优化结果的准确性。     

Numerical and experimental studies on housing optimization for noise reduction of an axial piston pump

This paper presents a methodology to reduce the noise of an axial piston pump through modification of the housing structure, combined with both numerical and experimental methods. The finite element models of the housing and cover are established, and are assembled together. The finite element models are validated and updated using experimental modal analysis. The frequency response function of the assembly is calculated, and the shell element in the inner surfaces of the housing is added. The effects of the thickness of the shell element on the frequency response function are identified. A topology optimization is conducted for the purpose of reducing the frequency response function and the increase of mass. The prototype pump is manufactured and assembled. Different experimental measurements are carried out, including the measurement of the vibration and the distributions of the sound pressure levels around the pump. Results show that the vibration and noise are reduced by using the optimized housing. In particular, the average sound pressure level is reduced by about 2 dB(A) at the discharge pressure of 250 bar, and the sound pressure level at the second harmonic is reduced significantly. The method proposed here can also be used for other kinds of displacement pumps.     

某型振动轮噪声数值模拟及优化分析

空中声源的辐射噪声谱包括宽带连续谱和窄带线谱,线谱能量高于连续谱。与水下声源相比,空中声源的运动速度普遍较高,线谱多普勒频移明显,可用于进行水下对空中声源的运动参数估计。首先通过时频分析提取接收信号的瞬时频率,而后利用非线性最小二乘法将瞬时频率提取值与预测值相拟合,进而估计声源的运动参数(声源的运动速度、静止频率、与接收器最小水平距离及经过最近点时刻)。仿真与实验均能较为准确地估计出声源运动参数,同时在实验中实现了水下对空中运动声源的测距和定位,测距误差小于15.8%。在满足一定信噪比和保证足够多普勒信息的情况下,该参数估计方法具有很好的适用性。     

Vibration analysis of a new curved beam element

The common practice in developing a locking-free curved beam element is to ensure that its interpolation functions of displacement explicitly satisfy the inextensible bending mode condition for the membrane locking-free instead of the rigid body modes. In this paper, we study the impact of this practice on the dynamic characteristics of a finite element by conducting vibration analysis using our newly developed three-node locking-free curved beam element. In this case, the inextensible bending mode condition is satisfied explicitly, while the rigid body modes are satisfied implicitly to 4th-order accuracy. Numerical and experimental examples show that with the newly developed curved beam element, developed by using the implicit representation of a rigid body mode condition, it is possible to recover the rigid body modes of curved beams with low and medium slenderness ratios. This is even true for cases involving a half-circular element and the vibration of the curved beam is predicted with high accuracy.     

挖掘机驾驶室低频结构噪声分析与优化*

针对某小型液压挖掘机驾驶室低频噪声过大问题,对驾驶室结构振动特性进行分析。基于有限元模型计算各工况下驾驶室噪声传递函数,运用统计学方法确定主要噪声峰值频率及相应工况;通过模态声学贡献度计算,确定危险工况下噪声贡献量较大的模态阶数,参照模态振型确定驾驶室振动变形最大的车身板件;并对该板件进行形貌优化处理,提高其一阶固有频率,进而降低驾驶室内噪声。优化结果表明,驾驶室噪声传递函数在危险频率下的峰值下降了2~4 dB。     

柱壳和锥壳结构自由振动特征的数值计算与校验

为了评估柱壳和锥壳结构自由振动特征数值计算的精度,分析不同边界条件、环肋、纵肋以及流体载荷对自由振动特征的影响,计算并校验了典型壳体结构在空气中、浸没以及浸没并充满水情况下的自由振动特征。结果表明,空气中干模态分析在2 kHz内、单面及双面接触水情况下的流固耦合湿模态分析在500 Hz内的计算精度能够控制在10%以内。壳体流固耦合自由振动分析时可以采用实体单元离散也可以采用壳单元离散的方法,前者精度略高,能够有效保证求解收敛的频带范围更宽,但工作量更大。径长比大于0.2时,浸没于水中的自由振动分析可以转换为内部填充水时的自由振动分析,转换时应保证两者流固耦合湿表面积相等,如半浸水和半充满水,能够有效减小计算量;环肋和流体载荷对壳体自由振动特征的影响明显,环肋使柱壳同阶自振频率增加,流体载荷使柱壳同阶自振频率减小且影响幅度更大,两者均会使得柱壳模态振型呈现错序排列;流固耦合效应对无肋柱壳和环肋柱壳自振频率的影响效果相当;柱壳内外有水相对于单面接触水而言,同阶自振频率进一步减小,模态振型基本不变;流体载荷对环肋锥壳的自振频率和模态振型的影响幅度较对环肋柱壳小。      

Free vibration of a pneumatic tire-wheel unit using a ring on an elastic foundation and a finite element model

Natural frequencies and mode shapes of a pneumatic tire without suspension are investigated using a 12-d.o.f., geometrically non-linear, doubly curved, thin shell finite element of revolution with laminate composite materials. The wheel is assumed to be free to move within its own plane. The results of the free vibration analysis indicate that only the radial modes of n = 1 are affected by the wheel's freedom to move. To evaluate the finite element modeling, a simplified elastic ring-spring model is studied. The tire is modeled as a circular, elastic ring supported by distributed spring in both radial and circumferential directions. The wheel is modeled as a rigid mass to which the disturbed spring is attached. The two models are found to agree and complement each other. While the simplified ring-spring model is easy and practical to use to obtain preliminary results, the complex finite element model can give more detailed and accurate results for both free vibration and dynamic response analyses.     

基于PANDA平台的光机部件随机振动响应分析

基于PANDA自主并行计算平台,采用模态叠加法开展了多点基础激励作用下的随机振动响应分析算法设计和并行实现研究,构建了相应的并行求解模块。针对光机装置打靶样机中的六自由度平台结构,基于自主研发的软件模块,分析了该结构的模态特性及结构在地脉动载荷下的微振动响应,并与试验结果及商业软件分析结果进行了比对,在模态频率、振型和位移响应方面,都具有较好的一致性,验证了相关软件模块的正确性和PANDA平台在实际工程结构分析中的可用性。