一类新型仿生起竖结构设计及其动力学分析

由于生物能够通过丰富的运动形式完成特定的任务, 仿生设计方法受到了学者们的广泛关注. 蚯蚓在各种环境中具有出色的移动能力和适应性, 受此启发, 仿蠕虫机器人被提出并应用在搜救、医疗等领域. 然而现有的仿蠕虫机器人一般通过体节的轴向变形实现直线运动, 无法实现类似蛇类生物的起竖功能. 为了解决现有的仿蠕虫机器人无法起竖的问题, 本文提出了一种具有非线性多稳态性质的仿生柔性关节, 并在此基础上构建了多节仿生起竖结构以实现类似尺蠖、蛇等生物的起竖功能. 首先, 本文提出了一种仿生起竖关节模型, 推导了多节仿生起竖结构的总势能表达式, 从而建立了多节仿生起竖结构的动力学模型; 随后, 基于多节仿生起竖结构总势能的表达式和多元函数极值原理, 提出了实现需求起竖构型的结构参数设计准则, 利用动力学模型验证了结构参数设计准则的有效性, 并研究了需求构型的触发条件; 最后, 针对不同起竖节数的设计需求, 设计了相应节数的仿生起竖结构. 研究结果表明, 结构参数设计准则能够使得多节仿生起竖结构达到需求的仿生起竖构型, 并在需求构型处保持稳定平衡; 此外, 定义了初始激励与起竖构型的比例系数单调性变量, 并基于仿生起竖结构不同稳态的吸引盆揭示了上述变量构成的构型触发准则, 这为仿生起竖结构的构型切换提供了理论依据. 本文提出的仿生起竖结构对仿蠕虫机器人的功能拓展具有参考价值和指导意义, 也是对仿生设计理论的进一步完善.      

基于初应力法的作大范围运动柔性梁动力学建模理论研究

研究了初应力法的作大范围运动柔性梁的建模理论.根据连续介质理论,考虑应变-位移中的非线性项,用一致质量有限元法对柔性梁进行离散,基于Jourdain速度变分原理导出定轴转动下大范围运动为自由的柔性梁刚-柔耦合动力学方程.从其刚柔耦合动力学方程出发,考虑在大范围运动已知情况下的结构动力学方程.通过引入准静态概念,把其结构动力学方程转化为准静态方程.对纵向和横向变形节点坐标进行坐标分离,解出与纵向变形相关的准静态方程,得到准静态时的纵向应力表达式,从而获得附加刚度项.并对此非惯性系下作大范围运动柔性梁的结构动力学方程进行数值仿真,对零次近似模型、一次近似模型、初应力法动力学模型的仿真结果进行分析,揭示三种模型的动力学性质的差异.     

作大范围运动矩形板的动力学建模理论研究

研究了初应力法的作大范围运动矩形板的建模理论。根据连续介质理论,考虑应变-位移中的非线性项,用一致质量有限元法对柔性板进行离散,基于Jourdain速度变分原理导出定轴转动下大范围运动为自由的柔性板刚-柔耦合动力学方程。从其刚柔耦合动力学方程出发,考虑在大范围运动已知情况下的结构动力学方程。通过引入准静态概念,把其结构动力学方程转化为准静态方程。对纵向和横向变形节点坐标进行坐标分离,解出与纵向变形相关的准静态方程,得到准静态时的纵向应力表达式,从而获得附加刚度项;并对此非惯性系下作大范围运动柔性板的结构动力学方程进行数值仿真,验证了采用初应力法柔性板的动力学建模方法来计算经历大范围运动的不规则柔性板的动力学响应是可行的,体现了初应力法对柔性板建模的优越性。     

两类基于局部标架梁单元的闭锁缓解方法

对于大转动、大变形柔性体的刚柔耦合动力学问题,基于李群SE(3)局部标架(local frame formulation,LFF)的建模方法能够规避刚体运动带来的几何非线性问题,离散数值模型中广义质量矩阵与切线刚度矩阵满足刚体变换的不变性,可明显地提高柔性多体系统动力学问题的计算效率.有限元方法中,闭锁问题是导致单元收...     

A HIGH-ORDER RIGID-FLEXIBLE COUPLING MODEL OF A ROTATING FLEXIBLE BEAM UNDER LARGE DEFORMATION

对在平面内做大范围转动的中心刚体-柔性梁系统的刚柔耦合建模理论进行了深入研究,建立了系统的高次耦合动力学模型. 该动力学模型考虑了柔性梁横向弯曲变形和纵向伸长变形,且在纵向位移中计及由于横向变形而引起的纵向缩短项,即非线性耦合变形项,并保留了与非线性耦合项相关的一些高阶项,最终得到了系统的高次刚柔耦合动力学方程. 由此得到的动力学方程不仅能适用于柔性梁的小变形问题,也同样适用于大变形问题,弥补了一次近似耦合模型在处理柔性梁大变形问题上的不足. 通过与绝对节点坐标法以及一次近似耦合模型的对比验证了高次耦合模型的正确性.     

旋转中心刚体-FGM梁刚柔热耦合动力学特性研究

对旋转中心刚体-功能梯度材料(functionally graded material,FGM)梁刚柔热耦合动力学特性进行研究.FGM梁为物理性能参数沿厚度方向呈幂律分布的欧拉伯努利梁.考虑柔性梁的横向弯曲变形和轴向拉伸变形, 并计入横向弯曲变形引起的纵向缩短,即非线性耦合变形量.考虑变截面空心梁在外部高温、内冷通道冷却情况下的热力耦合对系统动力学特性的影响,求解得到FGM梁沿厚度方向分布的温度场, 进而在本构关系中计入热应变.采用假设模态法对柔性梁变形场进行离散,运用第二类拉格朗日方程推导得到系统的刚柔热耦合动力学方程,并编制动力学仿真软件, 然后通过仿真算例对系统的动力学问题进行研究.结果表明:不同截面梁动力学响应差异较大, 因此需对实际系统合理建模;大范围运动已知时, 考虑热冲击载荷的FGM梁将有效抑制横向弯曲变形,而大范围运动恒定时随热冲击的叠加会出现高频振荡; 大范围运动未知时,外力矩和热冲击载荷相互作用产生热力耦合效应, 导致系统呈现高频振荡,同时与中心刚体大范围旋转运动产生刚柔热耦合效应.      

超长柔吊装臂架回转作业刚柔耦合动力学模型与分析

针对超长柔臂架系统在回转吊装运动中的非线性动力学行为,开展了模型构建与振动特性分析。考虑大型起重机臂架的刚柔耦合运动特征与吊装大挠度效应,利用混合坐标系描述了吊臂刚柔耦合运动,在臂头随动坐标系上描述吊重与钢丝绳的偏摆运动;通过初应力法构建了结构的几何非线性刚度矩阵;采用拉格朗日方程,推导并给出了综合考虑超长柔臂架刚柔耦合效应、几何非线性效应、惯性力效应的动力学分析模型。通过对某轮式起重机的动力仿真分析,结果表明:超长柔臂架在吊臂几何非线性效应影响下,吊重偏摆幅度增大,周期延长;吊载愈重,几何非线性效应对吊臂振动及吊重摆动的影响愈明显;轻载吊装吊臂振动主要由回转惯性力引起,但重载时吊臂振动规律取决于吊重偏摆振动。分析结果为臂架结构设计及控制系统设计提供了依据。     

柔性梁刚柔耦合碰撞动力学及变形传播研究

运用柔性多体系统刚柔耦合动力学理论,研究了作大范围回转运动柔性梁的碰撞动力学问题.考虑柔性梁的横向变形,以及横向变形引起的纵向缩短项即非线性耦合变形项.采用基于Hertz接触理论及非线性阻尼理论的非线性弹簧阻尼模型来求解碰撞过程中产生的碰撞力,运用第二类拉格朗日方程建立了系统的刚柔耦合碰撞动力学方程.编制仿真软件进行动力学仿真计算,得到了碰撞力和系统动力学响应,对比分析了不同动力学模型对系统动力学响应的影响.同时研究了碰撞导致的柔性梁横向变形传播的波动特性.     

考虑非线性变形的航天器柔性附件建模方法

针对航天器的柔性附件,将其简化为常见的大范围运动空间柔性梁结构。根据柔性体的非线性变形原理,考虑了弯曲和扭转的非线性因素的影响,在柔性梁的三个变形方向上均考虑了变形的二次耦合项。利用有限元方法进行离散并用Lagrange方程建立了非线性变形模式下的动力学方程,包含了较为完全的刚度矩阵和各种耦合项。对一大范围运动的空间梁进行了仿真计算,表明在运动速度较大并且基座具有大范围运动时,一次耦合模型与本文模型有一定差异,且初始变形对两种模型也会产生影响。     

作大范围运动弹性梁刚—柔耦合动力学建模

利用弹性梁的变形理论和 Hamilton力学原理对作大范围运动弹性梁的刚 -柔耦合动力学建模理论进行了研究。分析了大范围运动对弹性梁的横向振动和纵向振动的影响 ,得到了大范围运动与弹性梁的中线耦合变形之间的耦合作用对该系统动力学性质有显著的影响 ,从而提出了作大范围运动弹性梁的刚柔耦合动力学模型     

考虑几何非线性和热效应的刚-柔耦合动力学

温度增高和温度梯度会引起梁的纵向、横向变形位移,在一定程度上对刚-柔耦合规律产生影响.该文考虑热应变,从平面梁的非线性的应变与位移关系式出发,建立了刚体运动、弹性变形和温度相互耦合的有限元离散的热传导方程和动力学方程.研究热流作用下的中心刚体-简支梁系统的刚-柔耦合动力学性质,揭示了几何非线性项和热应变对弹性变形和刚体运动影响.     

考虑尺度效应的夹层楔形多孔梁动力学分析

基于修正偶应力理论, 研究了具有大范围旋转中心刚体-功能梯度夹层Euler-Bernoulli楔形多孔柔性微梁系统的动力学特性.楔形梁是中间层为不完全功能梯度层, 两表层为均质材料的功能梯度夹层结构, 它可以减小传统夹层结构由于层与层之间材料属性的不同导致脱粘类型损伤的影响.采用假设模态法描述变形, 考虑具有捕捉动力刚化效应的非线性耦合项, 计及von Kármán几何非线性应变, 运用第二类Lagrange方程, 导出了适用于较大变形的高次刚柔耦合动力学方程.对在平面内做大范围运动的中心刚体-功能梯度夹层Euler-Bernoulli楔形多孔微梁的动力学特性进行了详细研究.研究表明: 功能梯度夹层楔形梁表层结构高度、旋转角速度、功能梯度幂指数、尺度参数、孔隙度以及各层结构的体积分数对系统的动力学特性都有很大的影响; 功能梯度夹层楔形梁综合了功能梯度直梁和楔形梁的特性, 其相对于功能梯度直梁的固有频率增大, 同时使得孔隙度对结构固有频率变化趋势的影响不再与功能梯度直梁相同; 由于柔性梁变形能中具有横向与轴向的耦合势能, 系统在稳态下的平衡位置发生了迁移现象; 系统随着尺度参数的变化发生了频率转向与振型转换.      

RESEARCH ON VIBRATION CHARACTERISTICS OF THE MANIPULATOR END UNDER ACTIVE CONTROL OF ARM STIFFNESS$^{\bf 1)}$

机械臂在运动过程中会因臂杆柔性引发结构变形和弹性振动,降低机械臂末端的定位精度和运动稳定性,将结构振动控制方法用于机械臂的振动抑制研究具有重要意义. 基于变刚度主动控制的设计思想,提出了臂杆刚度主动控制方法,通过改变机械臂臂杆的轴向受力状况来主动改变机械臂的刚度. 采用变形耦合法描述了机械臂的非线性变形,进而结合假设模态法和拉格朗日方程建立了臂杆的变刚度动力学模型,并进行了数值仿真. 在此基础上,设计了基于臂杆刚度主动控制方法的单自由度实验台,分析了不同预紧力下机械臂末端的振动特性. 数值仿真和实验结果表明,随着预紧力的增加,机械臂末端的振动幅值得到衰减,验证了臂杆刚度主动控制方法的有效性. 通过采用响应面法建立了机械臂末端的振动响应与预紧力的关系,并基于内部映射牛顿法的子空间置信域法优化算法对预紧力进行了优化分析,得到了最优预紧力. 该研究可为机械臂的精细动力学建模和振动抑制提供一定的理论依据,并为研究经济型低刚度材料的刚化问题提供了方向,以利用廉价低刚度材料取代目前所应用的昂贵高刚度材料.     

Dynamic analysis of a rotating rigid-flexible coupled smart structure with large deformations

Based on Hamilton's principle,a new kind of fully coupled nonlinear dynamic model for a rotating rigid-flexible smart structure with a tip mass is proposed.The geometrically nonlinear effects of the axial,transverse displacement and rotation angle are considered by means of the first-order approximation coupling(FOAC)model theory, in which large deformations and the centrifugal stiffening effects are considered.Three kinds of systems are established respectively,which are a structure without piezoelectric layer,with piezoelectric layer in open circuit and closed circuit.Several simulations based on simplified models are presented to show the differences in characteristics between structures with and without the tip mass,between smart beams in closed and open circuit, and between the centrifugal effects in high speed rotating state or not.The last simulation calculates the dynamic response of the structure subjected to external electrical loading.     

Coupled Shell-Material Point Method for Bird Strike Simulation

In a bird strike, the bird undergoes large deformation like flows; while most part of the structure is in small deformation, the region near the impact point may experience large deformations, even fail. This paper develops a coupled shell-material point method(CSMPM)for bird strike simulation, in which the bird is modeled by the material point method(MPM)and the aircraft structure is modeled by the Belytschko-Lin-Tsay shell element. The interaction between the bird and the structure is handled by a particle-to-surface contact algorithm. The distorted and failed shell elements will be eroded if a certain criterion is reached. The proposed CSMPM takes full advantages of both the finite element method and the MPM for bird strike simulation and is validated by several numerical examples.     

考虑剪切效应的旋转FGM楔形梁刚柔耦合动力学建模与仿真

本文对一类中心刚体-柔性梁系统在大范围转动下的刚柔耦合动力学问题进行了研究. 柔性梁为功能梯度材料(functionally graded materials, FGM)楔形变截面梁,材料体积分数在梁轴向呈幂律分布变化. 以弧长坐标来描述柔性FGM梁的几何位移关系,分别使用倾角和拉伸应变变量描述柔性梁的横向弯曲和纵向拉伸变形,并计及剪切效应. 采用假设模态法离散变形场,运用第二类拉格朗日方程进行方程推导,得到系统考虑剪切效应的刚柔耦合动力学模型. 基于全新的刚柔耦合动力学建模理论,研究不同轴向材料梯度分布的FGM楔形梁,通过数值仿真计算,分析讨论不同的转速、梯度分布规律以及变截面参数对系统动力学特性的影响. 结果表明,剪切效应对大高跨比的FGM楔形梁的变形影响较为明显,不容忽略;材料梯度分布规律和截面参数的选取均会对旋转FGM楔形梁的动力学响应和频率产生较大影响. 本文提出的考虑剪切效应的倾角刚柔耦合动力学模型是对以往非剪切模型的进一步完善,可应用于工程中的 Timoshenko梁结构的动力学问题求解.      

作大范围空间运动柔性梁的刚-柔耦合动力学

研究带中心刚体的作大范围空间运动梁的刚-柔耦合动力学问题．从精确的应变-位移关系式出发,在动力学变分方程中,考虑了横截面转动的惯性力偶和与扭转变形有关的弹性力的虚功率,用速度变分原理建立了考虑几何非线性的空间梁的刚-柔耦合动力学方程,用有限元法进行离散．通过对空间梁系统的数值仿真研究扭转变形和截面转动惯量对系统动力学性态的影响．     

机械臂臂杆刚度主动控制下的末端振动特性研究

机械臂在运动过程中会因臂杆柔性引发结构变形和弹性振动,降低机械臂末端的定位精度和运动稳定性,将结构振动控制方法用于机械臂的振动抑制研究具有重要意义. 基于变刚度主动控制的设计思想,提出了臂杆刚度主动控制方法,通过改变机械臂臂杆的轴向受力状况来主动改变机械臂的刚度. 采用变形耦合法描述了机械臂的非线性变形,进而结合假设模态法和拉格朗日方程建立了臂杆的变刚度动力学模型,并进行了数值仿真. 在此基础上,设计了基于臂杆刚度主动控制方法的单自由度实验台,分析了不同预紧力下机械臂末端的振动特性. 数值仿真和实验结果表明,随着预紧力的增加,机械臂末端的振动幅值得到衰减,验证了臂杆刚度主动控制方法的有效性. 通过采用响应面法建立了机械臂末端的振动响应与预紧力的关系,并基于内部映射牛顿法的子空间置信域法优化算法对预紧力进行了优化分析,得到了最优预紧力. 该研究可为机械臂的精细动力学建模和振动抑制提供一定的理论依据,并为研究经济型低刚度材料的刚化问题提供了方向,以利用廉价低刚度材料取代目前所应用的昂贵高刚度材料.      

Cascaded quasi-zero stiffness nonlinear low-frequency vibration isolator inspired by human spine

Human motion induced vibration has very low frequency, ranging from 2 Hz to 5 Hz. Traditional vibration isolators are not effective in low-frequency regions due to the trade-off between the low natural frequency and the high load capacity. In this paper, inspired by the human spine, we propose a novel bionic human spine inspired quasi-zero stiffness (QZS) vibration isolator which consists of a cascaded multi-stage negative stiffness structure. The force and stiffness characteristics are investigated first, the dynamic model is established by Newton’s second law, and the isolation performance is analyzed by the harmonic balance method (HBM). Numerical results show that the bionic isolator can obtain better low-frequency isolation performance by increasing the number of negative structure stages, and reducing the damping values and external force values can obtain better low-frequency isolation performance. In comparison with the linear structure and existing traditional QZS isolator, the bionic spine isolator has better vibration isolation performance in low-frequency regions. It paves the way for the design of bionic ultra-low-frequency isolators and shows potential in many engineering applications.