人体上肢运动学动力学建模与仿真技术的研究

根据多体动力学原理,以人体解剖学为基础,对人体上肢进行建模,推导了其动力学和运动学方程,建立了人体上肢四刚体四自由度动力学模型,运用多系统动力学软件ADAMS,结合UG建模功能,对人体上肢动力学和运动学特性进行了分析计算,对人体上肢收臂翻掌过程的运动进行了仿真,并将计算结果与实测数据进行了对比,验证了模型的正确性和有效性。     

关于荡秋千力学原理的一个注记

将人体简化为质点,讨论了荡秋千过程中速度、能量和人体做功的关系. 指出在最低点从蹲 姿转换为站姿时,依据动量矩守恒原理速度将增加;因而人体肌肉需要克服重力做功以增加 势能,还需要克服离心力做功以增加动能. 在最高点从站姿转换为蹲姿时,速度保持为零, 且因人体倾斜势能减少较小. 具体给出了秋千荡起高度的公式.     

人体肌骨的多柔体系统动力学研究进展

人体肌肉骨骼系统简称肌骨系统, 包括骨骼、骨骼肌与关节连接, 其力学模型是典型的多柔体系统. 从多体动力学角度研究肌骨系统, 主要关注其在运动过程中的肌肉内力、关节力矩及产生的动力学影响, 属于动力学与生物力学的交叉融合. 肌骨系统的多体动力学模型已被广泛地应用于临床医学、竞技体育、军事训练、人机工程等诸多领域, 其仿真结果可为提高人体运动能力、降低关节载荷与能耗、避免运动损伤、加快康复进程等提供重要计算参考数据. 与此同时, 上述研究亦对肌骨动力学研究提出了许多新挑战. 本文综述了人体肌骨多柔体系统动力学相关研究进展, 包括骨骼肌功能解剖与生物力学建模、神经与肌肉控制理论、肌骨系统动力学问题与求解方法, 以及近年来肌骨多体动力学在步态分析、飞行员抗荷动作、口颌手术规划等领域的典型应用. 与工程领域的机械多体系统相比, 人体肌骨多体系统具有肌肉内力主动性与肌肉控制冗余性两大特征. 现有骨骼肌模型难以同时考虑肌肉的解剖结构、三维几何与肌力产生的生物化学机制. 已有大多数肌骨模型采用静态优化假设消除肌肉冗余性, 忽略了肌肉与肌腱内力平衡及兴奋收缩耦联机制. 此外, 目前仍缺乏实现肌骨模型个性化的无创在体测试手段. 未来, 人体肌骨多体动力学研究将会向更精确、智能、个性化的方向发展, 成为动力学与生物力学交叉的热点研究领域.      

动力刚化与多体系统刚—柔耦合动力学

首先指出当前柔性多体系统动力学的大量工程研究背景,在回顾柔性多体系统动力学研究进展后指出动力刚化的现象揭示了刚－柔耦合的零次建模方法的局限,认为进一步深入进行柔性多体系统刚－柔耦合动力学的研究是多体系统动力学研究的新阶段,文末提出了刚－柔耦合动力学的研究任务。     

柔性多体系统刚-柔耦合动力学

首先指出大量复杂系统动力学与控制性态分析与优化等工程问题对柔性多体系统动力学领域的进一步需求,在回顾柔性多体系统动力学研究的若干阶段与当前的研究现状后指出:柔性多体系统刚- 柔耦合动力学的研究是多体系统动力学的一个新的阶段．文末提出了刚- 柔耦合动力学的研究任务。      

独轮车运动的动力学解释

本文讨论独轮车运动的动力学.以独轮车和驾车人组成的系统为对象,建立三刚体系统力学模型和相应的动力学方程.驾车人利用协调的弯腰和足蹬动作保证独轮车运动的稳定性.导出稳定性必要条件.     

基于UK理论的下肢关节力矩分析方法

基于UK(Udwadia-Kalaba)理论,以人体解剖学为基础,建立了人体单侧下肢的数学模型,提出了一种求解下肢运动过程中的关节力矩的简便方法,通过仿真验证了该方法的实用性和简便性。将人体单侧下肢简化为两自由度的两刚体模型,应用UK理论建立人体下肢运动的动力学模型,利用运动参数采集设备检测下肢做动作时的运动学参数,将实测角速度数据作为系统约束,通过计算约束力矩来计算实时关节力矩数据。仿真结果表明:被测单侧下肢髋关节力矩在1.8s处取极值29.5N·m,膝关节力矩在2s处取极值4.8N·m,两侧曲线具有对称相关性;实验结果基本反映出实际情况,可用于估算运动中关节力矩,且计算过程中无需引入额外参数,计算简便。     

复杂刚—柔混合机构的动力学分析方法

本文应用柔性多体系统理论分析了复杂刚－柔混合机构的动力学问题，用单项递推组集方法建立了系统的动力学模型，用模态综合方法描述柔性的变形，对空间四连杆机构进行了动力这仿真。讨论了安装误差对系统动力学性态的影响。     

多体系统动力学中关节效应模型的研究进展

在一般的多体系统动力学研究中认为运动关节是理想运动副. 然而,实际中的运动关节不仅含有间隙与摩擦,还有间隙引起的关节元素之间的接触碰撞、局部变形和磨损. 多体系统动力学中的关节效应不仅引起了系统的振动和噪声,减小了系统的可靠性和寿命,而且损失了系统的精度和稳定性. 为此,对近十几年多体系统动力学中关节效应的研究进行了详细分析,总结了关节效应中间隙运动学模型、接触力模型与磨损模型在多体系统动力学中的建模过程. 其中,着重分析了多体系统动力学中关节磨损效应的研究进展,并对常用的Reye'shypothesis 和Archard 磨损模型进行了比较,详细地分析了Archard 磨损模型的演变形式以及主要磨损参数(接触应力,接触面积和滑移距离),特别分析了关键磨损参数接触应力的建模方法,解释了基于Winkler 弹性基础理论在求解接触应力时遇到的困难. 另外,介绍了4 种间隙运动副(转动副、移动副、圆柱副和球面副) 的运动学模型. 分析了考虑关节磨损多体系统动力学模型的一般建模方法,并以平面五杆机构为例说明了其建模过程.最后,简要地展望了多体系统动力学中关节效应模型的发展趋势以及应用前景.      

柔性多体系统动力学的若干热点问题

全面综述了柔性多体系统动力学近年来的研究成果．对建模方法、模态选取及模态综合、动力刚化及柔性多体系统动力学中微分－代数方程的数值方法等研究热点进行了详细的阐述,并简要展望了柔性多体系统动力学今后的发展趋势      

刚性杆-弹簧摆模型复杂动力学特性的数值仿真

建立一种刚性杆-弹簧摆刚柔耦合强非线性动力学系统模型,给出了无量纲的动力学微分方程．该模型同时存在小幅度快速振荡和大范围慢速摆动的快、慢双时间尺度变量．针对工程中此类系统数值求解容易产生的刚性问题,采用一种三次Hermite插值精细积分法进行数值计算．将频率比、摆长比和初始摆角作为控制参数,研究刚性杆-弹簧摆刚柔耦合系统快、慢变量的复杂动力学行为．通过数值仿真分析,发现系统在不同的控制参数组合下呈现出混沌运动状态,并给出了与系统运动状态相关的控制参数范围,为复杂的刚柔耦合多体系统的设计与数值分析提供了参考．     

Dynamic delayed feedback control for stabilizing the giant swing motions of an underactuated three-link gymnastic robot

This paper investigates the dynamics of the giant swing motions of an underactuated three-link gymnastic robot moving in a vertical plane by means of dynamic delayed feedback control (DDFC). DDFC, being one of useful methods to overcome the so-called odd number limitation in controlling a chaotic discrete-time system, is extended to control a continuous-time system such as a 3-link gymnastic robot with passive joint. Meanwhile, a way to calculate the error transfer matrix and the input matrix which are necessary for discretization is proposed, based on a Poincaré section which is defined to regard the target system as a discrete-time system. Moreover, the stability of the closed-loop system by the proposed control strategy is discussed. Furthermore, some numerical simulations are presented to show the effectiveness in controlling a chaotic motion of the 3-link gymnastic robot to a periodic giant swing motion.     

一种改进的冲量测试装置及其数据处理方法

对摆锤式片炸药比冲量测试装置及其数据处理方法进行了改进。首先,在对机械结构进行了改进设计的基础上,利用光栅测试系统测量摆动角度,并解决了测试时波形失真的问题,提高了装置的精密性和稳定性。然后,采用该装置研究了阻尼随摆动幅度的变化规律,并用实测数据进行了验证;提出了片炸药比冲量测试时的最大摆角修正方法,并进行了试验对比研究。结果表明:改进后的装置及其数据处理方法能够更加准确地测量片炸药的比冲量。     

深井提升动力学研究

随着浅部煤炭资源的日益枯竭, 我国煤炭开采朝着深部化和大型化方向发展, 新建和改扩建的大型立井年生产能力已达1000万吨, 开采最大深度已达1500 m. 千米深井在提升过程中, 造成提升钢丝绳、容器振荡, 特别是自由悬挂平衡尾绳大幅度摆动, 严重影响多绳摩擦提升系统向高速度、深度化发展. 在国家重点研发计划“深地资源勘查开采”重点专项“煤矿深井建设与提升基础理论及关键技术”支持下, 建立了单元数量自动调整的自由悬挂平衡尾绳提升系统动力学模型, 揭示了传统提升系统诱发平衡尾绳大摆动的机理; 提出了深井SAP提升新模式, 构建了多元耦合下的SAP提升系统动力学模型与非光滑动力学模型, 揭示了多参数影响下系统的非光滑动力学特性及非线性振动演化规律; 研发了适用于深部提升的SAP提升技术与装备, 开展了SAP提升技术与装备的现场研究, 解决了大强煤矿立井提升系统运行过程中尾绳大摆动、提升容器大振动等关键问题, 提高了提升系统高速运行的安全性, 消除了尾绳大摆动难控制的问题.      

Nonlinear dynamics in the flexible shaft rotating–lifting system of silicon crystal puller using Czochralski method

Silicon crystal puller (SCP) is key equipment in silicon wafer manufacture, which is, in turn, the base material for the most currently used integrated circuit chips. With the development of the techniques, the demand for longer mono-silicon crystal rod with larger diameter is continuously increasing in order to reduce the manufacture time and the price of the wafer. This demand calls for larger SCP with an increasing height, though it causes serious swing phenomenon of the crystal seed. The strong swing of the seed increases the possibility of defects in the mono-silicon rod and the risk of mono-silicon growth failure. The main aim of this paper is to analyze the nonlinear dynamics in flexible shaft rotating–lifting (FSRL) system of the SCP. A mathematical model for the swing motion of the FSRL system is derived. The influence of relevant parameters, such as system damping, excitation amplitude, and rotation speed, on the stability and the responses of the system is analyzed. The stability of the equilibrium, bifurcation, and chaotic motion is demonstrated, which have been observed in practical situations. Melnikov method is used to derive the possible parameter region which leads to chaotic motion. Three routes to chaos are identified in the FSRL system, including period doubling, symmetry-breaking bifurcation, and crisis. The work in this paper analyzes and explains the complex dynamics in FSRL system of the SCP, which will be helpful for the designers in the designing process in order to avoid the swing phenomenon in the SCP.

     

多刚体系统分离策略及释放动力学研究

紧密连接的多刚体系统可在脱离运载航天器后在轨自主分离,无需多次利用航天器发射装置或在航天器中安装多个发射装置进行分离释放,从而有效提高运载航天器空间利用率,简化分离释放操作和降低碰撞风险.本文针对多刚体系统的在轨分离释放问题,研究在轨分离策略及释放过程动力学.首先,考虑刚体相对运动及姿态变化,基于虚功原理及自然坐标方法建立单个刚体的动力学模型.考虑多刚体系统在轨分离释放阶段的轨道运动和连接约束变化,计入分离时刚体间的相互作用,利用拉格朗日乘子法获得含连接约束的非线性动力学模型.考虑到实际工程应用,在多刚体系统分离释放阶段,通过安装在刚体间每个接触表面4个角上的弹射装置实现自主分离.其次,为保证分离过程中刚体之间无碰撞发生,规划了多刚体系统的分离时序,并基于不同弹射方向及分离顺序设计了两种分离释放方案.最后,通过算例研究分析了在轨分离释放过程中刚体的非线性动力学行为,验证了分离释放方案的有效性.     

THE DESIGN AND ANALYSIS OF VIBRATION STRUCTURE OF VERTICAL DYNAMIC BALANCING MACHINE

I. INTRODUCTION The shape of some ?ying objects (called workpieces) is similar to that of shafts. These ?ying objectsoften have a large size. Their dispersion e?ect a?ects the ?ying control and the precision in hitting atarget. The dispersion e?ect is the statistical deviation when ?ying objects depart from their preconcerted?ying orbits. As the unevenness of mass distribution is the major cause of the dispersion e?ect, thedouble-plane vertical dynamic balancing technique for ?ying ob…     

未知纬度的捷联惯导系统晃动基座自对准方法

传统捷联惯导系统晃动基座对准方法中,一般要求提供当地准确的地理纬度信息,如果给定的纬度存在误差,会对初始对准精度造成影响.针对纬度未知情况下的晃动基座对准问题,提出了利用三个不同时刻的重力视运动向量的运算进行对准的方法,推导了三矢量定姿对准的基本原理.针对含有随机噪声的加速度计测量值构造的重力视运动向量会导致向量运算时出现共线向量的问题,设计了一种基于平均权重系数的自适应卡尔曼滤波器,能在未知动态环境下有效去除加速度计随机噪声,提高对准精度.仿真和试验结果表明,该方法可在纬度未知条件下完成捷联惯导系统晃动基座下的自对准并估计出纬度值,对准精度可达惯性器件误差所决定的对准极限精度.     

Application of the integral manifold method to the analysis of the spatial motion of a rigid body fixed to a cable

We analyze the spatial motion of a rigid body fixed to a cable about its center of mass when the orbital cable system is unrolling. The analysis is based on the integral manifold method, which permits separating the rigid body motion into the slow and fast components. The motion of the rigid body is studied in the case of slow variations in the cable tension force and under the action of various disturbances.We estimate the influence of the static and dynamic asymmetry of the rigid body on its spatial motion about the cable fixation point. An example of the analysis of the rigid body motion when the orbital cable system is unrolling is given for a special program of variations in the cable tension force. The conditions of applicability of the integral manifold method are analyzed.     

刚柔耦合约束多体系统的动力分析

本文提出了描述柔性多体系统的牵连坐标系统。该系统由惯性参考系,牵连坐标系,物体坐标系及单元坐标系组成,实现了对刚体平动,刚体转动及弹性运动的连续分解,最大限度地消除了由于刚体大角度转动导致的非线性特性。以有限元法为基础,应用拉格朗日方程建立了在该坐标下的刚柔耦合约束多体系统的动力学控制方程。该方程具有耦合程度小、易于推导、编程及求解等优点,为大规模约束多体系统的动力分析提供了新的途径。本文还讨论了平面铰链约束的约束形式及约束方程,最后给出了一个典型多体系统的数值算例。