时变边界的变质量刚体的动力学方程

讨论一类变质量刚体（即在其边界与外部进行质量交换,从而具有时变边界）的动力学问题,并建立了时变边界的刚体动力学普遍方程。     

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。     

极坐标系下的Legendre谱元方法求解Poisson-型方程

r=0处的坐标奇异性是求解极坐标下Poisson-型方程的关键。本文提出一种极坐标系下基于Galerkin变分的Legendre谱元方法用于求解圆形区域内的Poisson-型方程,物理区域的径向和周向划分若干单元,计算单元均采用Legendre多项式展开;圆心所在单元的径向使用LGR(Legendre Gauss Radau)积分点,其他单元径向使用LGL(Legendre Gauss Lobatto)积分点,从而避免了极点处1/r坐标奇异性,周向单元均采用LGL积分点。利用区域分解技术,可以避免节点在极点附近聚集;最后求解了多个Dirichlet或Neumann边界条件下的Poisson-型方程算例。数值结果表明,谱元方法具有很高的精度。     

空间五杆机构的动力学分析

本文用旋量计算和对偶数矩阵法对空间机构进行动力学分析,在杆件上加惯性力后,应用达朗伯原理得到对偶动力学平衡方程。以空间ＲＣＲＣＲ五杆机构为例,说明系统动力学分析方法。     

高速电梯系统时变动力学模型与分析

以往关于电梯系统的研究指出，引起电梯系统振动的主要原因在于外部激励－由曳引机，承重装置，拖动和控制系统等引起。这是基于经典的结构共振理论得出的结论，但不能解释某些电梯的振动行为。本文从时变结构力学的观点出发，计及电梯曳引钢丝绳的长度随时间变化，建立起电梯系统的变刚度动力学模型，采用解析方法给出了高速电梯弹性振动的位移和加速度响应表达式。从理论上证明作为时变系统的电梯，具有振荡运动的特征，存在由变刚度引起的自激振动。进一步研究表明，电梯提速意味着曳引钢丝绳的初始扰动增大，导致电梯振动的加速度也增大，对电梯的舒适性有负面影响。     

也谈变惯矩梁变形方程的泰勒级数解

本纠正了「１」给出的变惯矩梁变形函数公式中的错误，指出该公式仅适用于等惯矩梁。     

基于控制响应的时变系统模态参数辨识的改进子空间方法

提出了一种基于系统控制信号激发的响应数据来辨识时变系统模态参数的改进子空间方法。该方法以系统控制响应信号建立系统的状态空间输出方程并构造了一个广义Hankel矩阵,通过对该矩阵做奇异值分解(SVD),用广义能观阵的估计代替输出矩阵,然后利用奇异值矩阵的正交性,有效地降低了噪声敏感性和计算量,从而容易地辨识出等效状态下的系统矩阵,最后采用转换矩阵辨识出时变系统的模态参数。通过理论分析、仿真和实验,讨论了不同信噪比对辨识结果的影响,验证了该方法的有效性。     

自由漂浮空间机器人路径优化的Legendre伪谱法

基于Legendre 伪谱法研究自由漂浮空间机器人非完整路径规划的最优控制问题. 自由漂浮是空间机器人执行任务常用的工作模式,其路径优化是空间机器人完成复杂空间任务的基础. 由于空间机器人不具有固定基座,机械臂和载体之间存在非完整约束,使得自由漂浮空间机器人路径规划完全不同于地面机器人而变得具有挑战性. 本文提出自由漂浮空间机器人路径规划的最优控制伪谱方法. 首先,利用多体动力学理论建立自由漂浮空间机器人动力学模型,给定系统的初始和目标位形,选取机械臂关节耗散能最小为性能指标,并考虑实际控制输入受限,建立其路径规划的Bolza 问题. 然后,应用Legendre 伪谱法,将状态和控制变量在Legendre-Gauss-Lobatto (LGL) 点上离散,并构造Lagrange 插值多项式逼近系统状态和控制变量,将连续路径优化问题离散化为非线性规划问题求解. 最后通过数值仿真表明,应用Legendre 伪谱法求解自由漂浮空间机器人非完整路径规划问题,得到的机械臂和载体最优运动轨迹,较好地满足各种约束条件,且计算精度高、速度快,并具有良好的实时性.      

非线性动力学方程的一种级数解

本文针对n维未知向量v的一阶微分议程v=Hv f(v,t)进行求解,其中Hv和f(v,t)分别是右端项的线性剂次部分和非线性部分,首先,将非线性部分f(v,t)在所论时刻tk处展成t-tk=τ的泰勒级数,并通过求原函数的方法直接给出每一项的积分,从而获得了待求微分方程在级数形式下的闭合争,它的具有不同精度的各次静似解可表示成τ的分段解析函数,便于研究非线性动力学行为与其物理参数的依赖关系。本文还用算例验证了各次近似解之间的数值关系,并和解析解等作了比较。     

定常完整约束系统动力学方程的伪线性形式

对定常完整约束系统,从动力学普遍方程出发,推导出一种用矩阵表示的伪线性形式的动力学方程.该方程只需写出质点系位置矢径与外力矢量的广义坐标表达式即可直接计算相关系数矩阵,从而得到系统的动力学方程.该方程形式简洁,计算格式整齐,适于用计算机代数语言的程式化实现,为力学系统的计算机辅助建模提供了一种途径.方法的正确性通过两个简单算例进行了验证.     

LEGENDRE SERIES SOLUTIONS FOR TIME-VARIATION DYNAMICS

In this topic, a new approach to the analysis of time-variation dynamics is proposed by use of Legendre series expansion and Legendre integral operator matrix. The theoretical basis for effective solution of time-variation dynamics is therefore established, which is beneficial to further research of time-variation science. Supported by Shanghai Key Project Research Foundation.     

求解梁的切应力的高阶勒让德模型

梁作为最简单的构件在工程中广泛应用. 由于经典梁理论在求解梁的切应力时需要引入平衡方程和剪切修正系数, 使得求解问题变得复杂. 该文采用高阶勒让德级数形式的位移函数, 并考虑上下边界处切应力为零的特点, 建立了梁的切应力的求解方法. 并将所得的理论结果与有限元方法的数值结果进行比较, 结果符合很好. 结果表明, 该文的理论模型能够准确地确定梁内部的正应力和切应力. 该文的研究可为梁的力学分析提供新的理论方法.     

非线性动力学常微分方程组高精度数值积分方法

建立了一种求解非线性动力学常微分方程组初值问题的新方法．若非线性函数一阶导数存在，则给出解的积分方程表达式，计算得到按规定误差要求的高精度数值解．引入一般自治或非自治非线性系统的首次近似Jacobi矩阵，不作任何假设重构等价的非线性常微分方程组，简捷而有广泛的适应性，不改变方程的本质，但其主项构成线性化方程组，其它项则代表非线性函数高阶余项而不涉及Taylor级数展开计算，给出该方程组初值问题的Duhamel卷积分解析表达式，在时间步长内进行数值积分选代求解，在指定误差内快速收敛，逐步递推获得非线性常微分方程的瞬态响应和全时域高精度数值解．积分解连续满足微分方程组而不是在离散的步长端点上满足代数方程组，打破了传统用增量法在离散点上建立的代数方程组迭代求解，从而使传统Euler型逐步积分法的各种差分格式算法改变成真正的积分格式算法．数值计算中给出指数矩阵递增展开式，变矩阵乘法为乘积系数的加法，避免了大量矩阵自乘而大大提高计算效率．算法验证为无条件稳定，则保证对线性常微分方程而言，计算中舍入误差的传播不会扩散，不出现计算机字长有限而引起舍入误差导致计算不确定性问题．基于以上理论和数值方法，计算了线性非线性算例并进行了分析，验证了本方法简捷而有广泛的适应性，可以有足够的精确性．     

求非线性动力系统周期解的切比雪夫多项式法

周期运动是一种在客观世界中普遍存在的运动形式,它与混沌运动之间存在十分密切的关系,因而具有很重要的研究价值。利用切比雪夫多项式的若干良好性质,对自治非线性动力系统进行分析,将状态矢量在主周期上展开为切比雪夫多项式的形式,从而将原问题转变为非线性代数方程组的求解问题,得出一种可以方便、迅速地获得周期轨道近似多项式表达式的方法。此方法不依赖于小参数假设,可以用于分析强非线性问题,而且对参数激励系统同样有效。在计算机条件允许时,对高维系统也能迅速、精确地得到其周期轨道的近似多项式表达式。以三维Rossler系统和五维非线性磁浮转子系统周期轨道的计算为例,通过与四阶Runge-Kutta数值积分结果比较,说明此方法的精确、高效性。     

论Hertz接触问题解的不唯一性

本文根据积分方程的理论,对Hertz接触问题的积分方程的特点进行了分析,指出该问题的解不是唯一的。     

动力学平衡方程的Euler中点辛差分求解格式

给出了动力学方程${\pmb M}\ddot {\pmb x} + {\pmb C}\dot {\pmb x} + {\pmb K \pmb x} = {\pmb R}$的二阶Euler中点隐式差分求解格式,分保守系统、无 阻尼受迫振动系统和阻尼系统3种情况, 讨论了算法中Jacobi矩阵${\pmb A}$的性质,譬 如${\pmb A}$是否为辛矩阵以及谱半径等. 对于无阻尼系统,证明了无论是否存在外 载荷,Jacobi 矩阵都是辛矩阵. 证明了辛矩阵的所有本征值的模为1,其谱半径永远 为1, 以及$\delta = 0.5$和$\alpha = 0.25$的Newmark算法就是Euler中点隐式差 分格式,对保守系统它们都是辛算法. 严格证 明了Euler中点辛格式是严格保持系统能量的. 通过算例详细讨论了保辛算法用于求解非保 守系统动态特性的优越性,如广义保结构特性等;分析了保辛算法的相位误差以及由其引起 的系统的附加能量特性;分析了保辛算法和$\delta \ne 0.5$的Newmark算法的精度随着激励频率与系统固有频率比的变化情况等     

无条件稳定的更新精细积分方法

提出将Pade逼近与精细积分方法中的指数矩阵运算技巧结合起来,建立了精细积分法的更新形式及计算过程,对该更新精细积分方法的稳定性进行了论证与探讨.结果表明,该更新精细积分方法是无条件稳定的,整个积分方法的精度取决于所取Pade逼近的阶数与高斯积分点的数量.数值例题也显示了该方法的高效率及其可行性.     

卷积型最小二乘法求解梁的动力学问题

提出了卷积型最小二乘法,并用其计算了不同初始条件和不同边界条件下梁的动力学问题,算例表明,方法概念简单,计算方便,精度高,计算工作量少,卷积型最小二乘法是计算结构动力学问题的一种简单、高效的方法,试函数可以不满足边界条件.     

有限元—传递矩阵法求解链式结构非线性系统的动力响应

本文提出一分析多自由度非线性振动系统时域响应的数值计算法,并就一三自由度非线性系统,分别计算了此系统具有一个非线性弹簧、两个非线性弹簧和三个非线性弹簧三种情况下的动态响应;通过与对应的线性系统响应结果的比较,验证了此法的有效性、可靠性和多种优点.     

黎曼位形空间中约束多体系统的动力学分析

在黎曼位形空间中研究了约束多体系统的动力学问题．通过对约束矩阵的奇异值分解和修正的Ｇｒａｍ Ｓｃｈｍｉｄｔ过程构造了系统流形的法向和切向子空间的正交归一化基，将系统的动力学方程沿这双基进行投影，得到了求系统动力学响应的新型公式，给出了其数值分析的一种方法，并举了算例．