多体系统动力学与分析动力学专题序

正全国多体系统动力学暨控制学科组和全国分析动力学学科组联合全国航天动力学与控制学科组于2019年9月20日至23日在湖南长沙联合召开了"第十一届全国多体动力学与控制暨第六届全国航天动力学与控制和第十四届全国分析力学联合学术会议".该次会议是中国力学学会动力学与控制专业委员会下属的3个专业组首次联合举办的全国性会议,后续会议将由3个专业组轮流承办.会议主席胡海岩院士在致辞中充分肯定了这次联合会议对促进学科交叉和融合的重要作用.     

机器人动力学与控制专题序

机器人动力学的研究是所有类型机器人发展过程中不可逾越的环节,也是形成机器人终极产品性能评价指标重要的科学依据,以往机器人的发展已经表明,多体系统动力学是机器人研发中不可或缺的基础力学理论。随着新型传动与驱动机构以及智能与软物质材料的出现,可以预计柔性化、软性化、可变化、微型化和控制智能化将成为未来机器人发展的重要方向,使机器人的各种作动更接近生物体的仿生体,因此,以仿生为主要特征的刚柔耦合、柔软体和变形机器人对任务和环境的适应性强,其快速发展在一定程度上将促进机器人研究的步伐,同时,这种趋势和需求也将会使得机器人动力学和控制研究面临重大挑战。本刊组织了“机器人动力学与控制研究专题”,主要介绍以下两个方面的研究进展。     

非线性动力学系统

最近,对非线性动力学中复杂运动的特性,有一些新的发现。这些新的概念,正在改变着物理学特别是流体力学与固体力学中有关动力学系统的许多观念。一个新的现象是,没有随机输入的确定性系统,它的输出表面上象是随机的或浑沌的。另一个新现象是,甚至当运动并非浑沌时,许多系统的长期动态历史对初始条件也是敏感的。描述这种现象的新的数学思想,正在进入非线性振动的领域,它们包括来自拓扑学和数学分析的思想,象Poincaré映射、非整维、Cantor集和奇怪吸引子(简称怪引子)等。这些新思想已在工程振动试验室中逐步得到成功。这个领域的进一步研究,是必须把这些新的思想扩展到多自由度和连续介质振动问题中去。还应该研究在某些非线性问题中丧失可测性的问题,因为它影响非线性材料和结构的力学中数值模拟的范围。      

岩体动力学和岩体动力工程专题序

<正>随着我国西部大开发战略和“一带一路”倡议的实施,一大批国家重大基础设施建设如白鹤滩水电站、锦屏二级水电站、南水北调西线工程以及其他岩石工程建设陆续开展。同时能源地下储存、高放核废物的深地质处置、二氧化碳地下封存等岩体工程也引起政府的高度重视,有些已纳入国家发展规划。这些岩体工程建设带来了许多岩石力学前沿课题和亟待解决的工程技术难题,为岩石力学学科提供了前所未有的发展机遇。岩体工程在施工和服役阶段,地震、爆破等动载荷不可避免会对其造成不同程度的扰动,     

数据驱动印度洋海域全局动力学研究

海洋洋流运动非常复杂, 研究其内在规律能为海上搜救、污染物扩散预测和海运航线设计提供科学依据. 本文将基于空间离散思路的广义胞映射方法应用于数据驱动的海洋系统全局动力学分析中, 研究印度洋海域的长期和短期内在动态结构及其特性. 文中考虑到印度洋海域典型季风气候等因素的影响, 利用1979—2019年该区域浮漂历史数据, 建立不同时间尺度(天、季节或年度)下表征系统状态演化的一步转移概率矩阵, 并以此形成以胞刻画的海洋系统数据驱动动力学模型. 通过拓扑分析, 实现对印度洋海域洋流长短期动态全局吸引性结构(涡漩中心)及其影响区域(涡旋区)的表征. 对比分析显示, 浮漂样本的实际观察与预测的响应分布和演化特征高度吻合, 从而验证所提方法和结果的有效性和正确性. 研究结果表明: 大约在南纬20° ~ 40°, 东经40° ~ 96°范围内可形成明显的长期大范围的稳定涡旋区域, 导致大部分表面漂浮物动态聚集在该区域, 而南纬40°以南和赤道附近则表现为海洋表面流动的排斥性. 同时, 海洋系统中的短期动态涡旋结构主导了表面漂浮物的瞬态路径和趋势, 在2014年3月8日—14日期间形成南印度洋洋流的逆时针环流特点.      

基于神经网络的口腔非线性动力学系统建模

神经网络方法是用于非线性动力学系统建模的有效方法，本文针对多层神经网络结构，运用递推预报误差（ＲＰＥ）算法对离散非线性动力学系统进行了辨识研究，并对口腔非线性动力学系统进行了神经网络动态建模，为了解语音和实用化的语音识别提供了良好的基础。     

时变参数系统的非线性动力学研究

本地具有时变参数的非线性系统的摄动方法、分岔与混沌以及安全盆等问题进行综述，并简要介绍一些近期结果。     

静电驱动下微观曲梁的非线性动力学特性研究

研究微机电系统中微结构的动力学特性,对确保微机电系统的稳定运行具有重要的意义。以直流、交流电压作用下的微观曲梁为研究对象,采用Euler-Bernoulli梁模型、Galerkin数值离散方法,在考虑主共振的情况下使用多尺度法研究了两端固支微梁的非线性动力学特性和可能出现的跳跃、吸合现象。结果表明:直流、交流电压越大,阻尼值越小,系统表现出更强的非线性特性;系统对交流电荷载作用下的振动响应相对于直流电荷载更加敏感;随着曲梁拱形高度的增加,系统会依次出现软化和硬化两种不同的行为;系统在分岔点附近可能出现跳跃现象。研究结果可为合理选取物理参数和控制系统振动行为提供参考。     

伴随变阻尼作用的干摩擦下的车辆系统非线性动力学分析

对分段线性阻尼和干摩擦共同作用下的车辆悬挂系统进行了非线性动力学分析研究，阐述了判定系统周期运动稳定性的理论方法；利用数值模拟方法分析了具有不同阻尼参数组合的系统对简谐激励的振动响应，并分析了由干摩擦引起的粘-滑振动行为．结果表明：提高摩擦力对抑制响应有利，但车辆系统在低速下运行时会出现复杂的粘-滑振动，轮轨之间产生较大的瞬时刚性冲击；而通过增加轮对与侧架的弹性悬挂可以有效减弱这种瞬时刚性冲击．     

基于数据驱动的全线控底盘纵臂式悬架系统研究

汽车在越野类极限路况下行驶,对车身高度有一定范围的调节需求,传统悬架方案与全线控底盘进行技术融合时,存在机构运动干涉、底盘升降过程中车轮外倾程度过大、车轮发生侧向位移等现象,易导致轮胎过度磨损,致使行驶失稳.将车身高度变化对轮胎侧向参数的影响转化为车轮纵向滚动,进而实现稳定的大行程车身高度调节,是解决上述问题的关键.本研究建立整车七自由度动力学模型,对悬架系统导向机构展开力学分析,集两者作为系统研究的输入信息;通过正弦波激振台对弹性元件、减振器进行相关特性参数获取,基于数据驱动开展一体化电动轮的运动学仿真测试,包括对悬架系统关键铰接位置进行力学性能分析、对电动轮整体结构进行运动学特性研究,以此定义系统关键性能指标,结合理论研究与仿真测试,确定双纵臂式主动悬架系统方案.仿真结果与实车验证综合表明,搭载本研究系统方案的全线控平台,进行大行程高度调节过程中,车轮外倾问题得到有效解决,一体化电动轮具备良好的独立运行能力,本研究对提高车辆在极限路况下的通过性具有重要意义.     

车辆纵向非光滑多体动力学建模与数值算法研究

在建立车辆纵向多体系统的动力学模型中, 将车身与车轮视为刚体, 两者通过减振器链接; 将传动系统视为一个圆盘通过扭簧和阻尼器与驱动轮连接; 将车轮与路面间的接触力简化为法向约束力、摩擦力和滚阻力偶,其中摩擦力的模型采用库仑干摩擦模型. 采用笛卡尔坐标作为该系统的广义坐标用于描述该系统的位形, 给出系统单双边的约束方程, 应用第一类拉格朗日方法建立了系统的动力学方程. 由于摩擦与滚阻的非光滑性, 使得该系统动力学方程不连续. 为便于计算, 建立了车轮与路面接触点的相对切向加速度与摩擦力余量的互补条件、车轮角加速度与滚阻力偶余量的互补条件, 以及车轮轮心法向加速度与路面法向约束力的互补条件. 将接触—分离、黏滞—滑移的判断问题转化成线性互补问题的求解, 并给出了具有约束稳定化的基于事件驱动法的数值计算方法. 最后, 应用该方法对车辆纵向多体系统进行了仿真, 分析了输出扭矩、摩擦及滚阻系数对其动力学行为的影响.      

海洋能源开发装备中关键力学问题专题序

海洋中石油、天然气及风能、潮汐能等能源储量丰富, 海洋能源的开发是当今世界各国竞相开发的关键领域. 海洋能源的开发离不开一系列的先进工业装备, 我国依托“海洋油气资源勘探开发技术”和“深海关键技术和装备”等科技专项对海洋能源开发装备和技术进行了长期研发, 使得我国已经基本具备了海洋能源开发装备设计、生产、测试和应用的关键技术. 同时由于我国海洋能源开发装备的研究起步较晚, 其设计、制造、测试及应用的部分技术仍未能实现完全自主可控, 成为制约我国海洋能源开发的瓶颈, 其中蕴含了丰富的关键力学问题的挑战. 随着海洋强国战略的实施, 我国的科研院所、高等学校和相关企业等单位积极开展了针对海洋能源开发装备中关键力学问题的研究. 部分工作已经取得了丰硕的成果, 实现了海洋能源开发装备和技术的突破, 为我国海洋能源开发装备的自主可控研发与创新奠定了扎实的力学基础.      

高速铁路列车系统中的动力学问题

本文系统地讨论了高速铁路列车系统中存在的动力学问题,包括结构动力学、车辆动力学、空气动力学和一些耦合动力问题。重点对高速铁路列车系统中的一些特有动力现象和解决方法进行了分析与介绍,并指出了高速铁路列车系统中各个研究领域的现状和发展方向。      

Birkhoff系统动力学的研究进展

提出一个新力学———Ｂｉｒｋｈｏｆ系统动力学的基本理论框架,介绍近年的研究成果,建议相关的未来研究方向      

NONLINEAR DYNAMICS OF AXIALLY ACCELERATING VISCOELASTIC BEAMS BASED ON DIFFERENTIAL QUADRATURE

This paper investigates nonlinear dynamical behaviors in transverse motion of an axially accelerating viscoelastic beam via the differential quadrature method. The governing equation, a nonlinear partial-differential equation, is derived from the viscoelastic constitution relation using the material derivative. The differential quadrature scheme is developed to solve numerically the governing equation. Based on the numerical solutions, the nonlinear dynamical behaviors are identified by use of the Poincare map and the phase portrait. The bifurcation diagrams are presented in the case that the mean axial speed and the amplitude of the speed fluctuation are respectively varied while other parameters are fixed. The Lyapunov exponent and the initial value sensitivity of the different points of the beam, calculated from the time series based on the numerical solutions, are used to indicate periodic motions or chaotic motions occurring in the transverse motion of the axially accelerating viscoelastic beam.     

基于SHAP-RF框架的越野车辆路面识别算法研究

根据越野车辆在不同路面上行驶时的动力学响应特征,可以实现路面类型的在线识别,为面向路面特征调整底盘控制子系统参数从而获取更好的行驶性能奠定基础.但越野环境地面特征复杂,车辆响应机理分析困难,给基于车辆动力学响应进行路面准确识别带来挑战.提出了一种SHAP-RF路面识别算法设计框架,通过SHAP (Shapley additive explanations)模型解释方法实现高维随机森林(random forest, RF)路面识别模型的降维化:首先采集了试验车在压实土路、沙地、良好沥青路与冰雪路4种路面上的行驶数据并计算了3个次级行驶特征;进一步计算了行驶数据的共计105个时域特征和频域特征,并以此为输入特征建立了高维随机森林路面识别模型;利用SHAP解释法分析高维模型输入特征对识别结果的影响从而提炼出各个特征与路面类型的关联性,完成特征筛选;最后,利用筛选后的特征设计降维随机森林路面分类器.基于实车数据的算法验证试验表明,设计的降维路面识别模型对4种路面的识别精确率在94%以上,召回率在93%以上,相比高维的随机森林路面识别模型,各种路面上的精确率和召回率最大降幅不超过3.2%,证明本...     

非线性转子-机匣系统的分岔行为研究

建立了一类非线性转子-机匣系统的碰摩模型.应用数值分析的方法对其进行研究,得到了不同参数变化下系统响应随转速变化的分岔图,分析了系统参数变化对分岔过程的影响,并作出了在相应参数状态和特定转速下的Poincare截面图,揭示系统参数变化对非线性碰摩转子-机匣系统分岔特性的影响.     

基于智能驾驶电动汽车的多车?桥梁耦合系统动力学特性研究

迫于能源和环保问题的压力, 电动汽车及智能驾驶受到了各国高度重视. 轮毂电机驱动电动汽车车轮振动剧烈, 与桥梁路面动力学相互作用更加突出, 现有研究主要针对传统汽车, 关于电动车轮与公路桥梁接触动力学相互作用及智能驾驶车队的多车?桥梁耦合作用研究尚不多见. 本文以轮毂电机驱动电动汽车为研究对象, 考虑车轮和桥面多点接触关系, 研究了两个智能驾驶汽车过桥时的车桥耦合动力学特性. 分析了电机质量、电机激励、轮胎悬架刚度非线性、车距、车速对系统振动特性的影响, 以及桥面不平顺激励、三重耦合激励对电动汽车平顺性的影响. 研究表明: 车距和车速是影响车?桥系统振动特性的重要因素, 在车?桥耦合动态设计中, 车距和车速的影响应重点关注; 桥面越平坦, 电机激励及桥面二次激励对车辆平顺性和道路友好性影响越加显著, 当汽车行驶在平坦桥面时两种激励对轮毂电机驱动电动汽车的影响不容忽视. 所建模型有望为智能驾驶电动汽车与桥梁的耦合作用研究提供理论参考.      

基于区域分解的结构动力学系统首次穿越失效

提出了高斯白噪声激励的线性及非线性结构动力学系统的首次穿越失效概率的估计方法. 对于线性结构动力学系统,失效区域被分解为互斥的基本失效域之和,每个基本失效域可用其设计点完全描述,并以正态分布代替卡方分布估计失效概率中的参数. 对于非线性结构动力学系统,基于Rice穿越理论,将非线性方程转化为与之具有相同平均上穿率的线性化方程,然后利用文中方法对等效线性化方程估计首穿失效概率. 最后给出了线性及非线性结构动力学系统的数值例子,并将所提方法与蒙特卡罗法及重要样本法相比较,模拟结果显示了方法的正确性与有效性.