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     

用点系笛卡尔坐标表示的刚体模型

本文叙述刚体的一种非传统模型,即利用刚体内若干参考点的笛卡尔坐标表示刚体的空间位置和姿态.与利用欧拉角或欧拉参数表示姿态的传统刚体模型比较,点系模型的主要优点是所有约束方程的Jacobi矩阵均为坐标的线性函数,从而使数值计算的效率明显提高,尤其适合应用于多体系统的建模.     

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.      

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。     

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铡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     

柔性机械臂动力学方程单向递推组集方法

本文基于Jourdain变分原理提出一种柔性机械臂动力学方程的单向递推组集方法。用规则标号法描述系统中物体和铰的邻接关系;用铰相对坐标和模态坐标分别描述物体的大位移运动和弹性变形。文末以三连杆机器人操作手为例说明本文建模的过程。     

空间悬臂梁的动力学分析与迭代求解

本文从柔性体的真-伪混合坐标形式的拉格朗日方程出发,导出了空间双柔性连杆机械臂系统的真-伪混合坐标形式的动力学方程.由于采用伪坐标和矩阵运算,避免了繁冗的对方位参数的求导过程,使方程结构紧凑,便于建立递推形式,并且在选择不同参数描述整体刚性运动情况下,方程形式保持不变,因而具有一般性.     

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.     

基于自然坐标的自由浮动空间机械臂动力学分析

利用一种新方法研究自由浮动空间机械臂动力[学问题,这种方法基于一种称为“自然坐标”的新坐标体系,导出用自然坐标表示的无力矩状态下空间机械臂初积分形式动力学方程,根据臂端设计轨迹,对空间机械臂进行逆动力学仿真计算,结果表明该方法是一种简便,高效的可行方法。     

柔性多体系统的递推组集建模与仿真软件的实现

简要地阐述多体系统动力学单向递推组集建模方法，介绍根据这种方法开发而成的仿真软件系统ＤＡＦＭＢ及它的功能与特点。通过双摆算例指出本文提出的模型在计算效率与计算精度方面优于笛卡尔坐标的微分－代数方程。     

存在相关约束Euler-Lagrange 方程解的存在唯一性

Euler-Lagrange方程是多体系统动力学的重要数学模型之一. 对存在诸如包含平行机构的多体系统,采用绝对坐标建模时,系统动力学约束方程往往是一组相关约束方程. 本文讨论了存在相关约束的Euler-Lagrange方程解的存在唯一性条件,给出了一个解的存在唯一性定理. 定理中不再要求满秩,但针对常秩的情形, 对于变秩的情形,通过注释的形式给出了定理的使用方式.     

计及热应变的空间曲梁的刚-柔耦合动力学

研究带中心刚体的作大范围运动的空间曲梁的刚-柔耦合动力学.结合混合坐标法和绝对坐标法的特点,取与中心刚体大范围运动有关的变量和柔性梁各单元节点相对中心刚体连体基的位移和斜率作为广义坐标,建立了一种新的柔性梁的刚柔耦合模型.基于精确的应变和位移的关系式,根据Jourdian速度变分原理,建立了带中心刚体柔性曲梁的有限元离散的动力学方程.数值对比了空间曲梁系统和空间直梁系统的刚柔耦合动力学性质,用能量守恒规律验证了文中曲梁模型的合理性.在此基础上,在应变能中计及热应变,研究温度增高引起的曲梁的热膨胀对系统的动力学性态的影响.     

论可积微分约束引入的循环积分

对循环坐标和多余坐标间存在一类线性可积微分约束的力学系统,导出了循环积分的一般表达式. 采用实例分析了产生循环积分的原因,并解释了该循环积分的物理意义.     

Kirchhoff弹性杆分析动力学的准坐标表达

作为DNA的力学模型,依据Kirchhoff动力学比拟思想建立的弹性细杆的分析力学方法已从静力学深入到动力学。由于静力学平衡微分方程与刚体动力学相当,因此,弹性细杆动力学的分析力学方程必是以弧坐标和时间为双自变量的偏微分方程。以横截面的形心速度以及弯扭度和角速度沿主轴的分量为准速度,定义了准坐标,导出了准坐标的微分和变分运算的交换关系。从Hamilton原理出发,利用准坐标的微分和变分运算的交换关系,导出了Kirchhoff弹性杆动力学准坐标下的Boltzmann-Hamel方程,并由此导出Lanrange方程。指出了Boltzmann-Hamel方程显式即为弹性杆动力学的Kirchhoff方程。定义关于弧坐标和时间的正则变量和Hamilton函数,导出Boltzmann-Hamel方程的正则形式。本文结果是以弹性杆静力学和刚性杆动力学为其特例。作为例子,建立了垂挂的在重力作用下作平面运动的弹性细杆的动力学微分方程以说明本文方法的应用。     

弹性细杆螺旋线平衡的动态稳定性

本文从动力学观点讨论具有初扭率的非圆截面弹性细杆的螺旋线平衡稳定性。弹性杆平衡的动态稳定性建立在以弧坐标s和时间坐标t为双自变量的离散系统的Lyapunov稳定性概念基础上。对于两端约束状况固定不变的弹性杆,若静态稳定性条件已满足,其与弧坐标对应的本征值可根据端部约束条件确定。则螺旋线平衡的动态稳定性由时间域的本征值判断。在缓慢受扰运动条件下,引入尺度缩小的时间变量T=εt,可将动力学过程视为对平衡状态的摄动。证明在ε^2计算精度范围内,当螺旋线平衡的一次近似静态稳定性条件得到满足时,考虑动力学因素的稳定性条件必也同时满足。     

大变形薄板多体系统的动力学建模

基于非线性弹性理论,考虑剪切应变和横向应变,用绝对节点坐标法建立了大变形矩形薄板的动力学变分方程;为了提高非线性刚度阵的计算效率,根据非线性刚度阵与广义坐标阵的函数关系式,在非线性刚度阵中分离出广义坐标阵,从而避免了每个时间步长的单元刚度阵的积分运算。在此基础上,引入运动学约束关系,建立了大变形薄板系统第一类拉格朗日方程,对重力作用下大变形二连板进行数值仿真。计算结果表明:随着薄板的柔度增大,低频的弯曲变形与高频拉伸变形的耦合愈加显著;此外,系统机械能守恒验证了该模型正确性。     

可折叠航天结构展开动力学分析

以欧拉参数为广义坐标（准坐标）,相对角速度和相对移动速度为广义速率,采用Ｋａｎｅ方程的Ｈｕｓｔｏｎ形式建立多体系统的运动力学方程。由伪上三角分解求约束Ｊａｃｏｂｉ矩阵的正交补阵,约简约束力,从而将运动方程由微分几何方程（ＤＡＥ）变为常微分方程（ＯＤＥ）,并由Ｇｅａｒ法对ＯＤＥ积分求出运动历程。最后给出一伸展臂数值分析算例。     

可变结构空间桁架机械臂的动力学建模

可变结构空间桁架机械臂由于具有高承载比和工作空间大等优点,有可能成为下一代空间机械臂的替代形式．本文对可变结构空间桁架机械臂的动力学问题进行建模研究,首先简要介绍了桁架机械臂系统的结构形式,然后采用笛卡尔坐标和变分原理建立系统的动力学模型,其中杆件的转动采用卡尔丹角进行描述,最后通过与ADAMS软件的计算结果对比验证本文所建模型的正确性．     

刚-柔耦合动力学系统的建模理论研究

刚－柔耦合动力学系统的传统的混合坐标方法是零次近似方法,在建模过程中,直接套用的结构动力学的小变形假设,忽略了变形位移的高次耦合变形量．本文对柔性梁建立较零次近似更精确的高次耦合动力学模型,从连续介质力学理论出发,在变形位移中,计及横向位移引起的轴向缩短,导出变形位移的二次耦合量．用一致质量有限元方法对梁进行离散,基于Jourdain速度变分原理导出大范围运动为自由的柔性梁的刚－柔耦合动力学方程．计算了柔性重力摆的角速度和摆端点的横向变形,揭示零次近似模型和耦合模型的刚－柔耦合动力学性质的根本差异．     

多储液腔航天器刚液耦合动力学与复合控制

采用复合控制方法对充液航天器的姿态和轨道机动进行高精度控制.通过傅里叶-贝塞尔级数展开法,将低重力环境下液体的弯曲自由表面的动态边界条件转化为简单的微分方程,其中耦合液体晃动方程的状态向量由相对势函数的模态坐标和波高的模态坐标组成.通过广义准坐标下的拉格朗日方程得到航天器刚体部分运动和液体燃料晃动的耦合动力学方程,提出了自适应快速终端滑模策略和输入整形技术相结合的复合控制器,并分别用于控制携带有一个燃料腔和四个燃料腔航天器的轨道机动和姿态机动.通过数值模拟来验证控制器的效率和精度.结果表明,对于多储液腔航天器,如果在设计航天器的姿态和轨道控制器时没有充分考虑燃料晃动效应,那么在受控航天器系统中将会出现刚-液-控耦合问题并导致航天器姿态不稳定.而本研究中的复合自适应终端滑模控制器可以实现航天器机动的高精度控制并有效抑制液体燃料晃动.