月球车与月壤交互作用的离散元-多体动力学耦合建模

目前,对于散体颗粒物质与复杂机械系统的耦合作用研究,面临着跨尺度、计算规模庞大以及非光滑表面的接触检测困难等问题。为了探究月球车与月壤交互作用,首先对颗粒-多体耦合系统动力学建模与接触算法进行研究。分别用离散元方法(discrete element method, DEM)和多体动力学(multibody dynamics, MBD)笛卡尔方法建立了散体球形颗粒和含约束多体系统的动力学模型,并基于Hertz-Mindlin模型计算颗粒与刚体的接触力,在此基础上给出顺序耦合策略,建立了离散元和多体耦合的动力学模型。针对月球车齿状车轮的非光滑表面与颗粒之间接触检测规模庞大的问题,提出了非光滑形状物体的分区域局部检测方法,降低了局部检测的规模。通过对比圆柱体冲击颗粒的试验和仿真结果,验证了离散元-多体耦合模型的准确性。在耦合动力学建模和接触算法研究的基础上,对具有齿状车轮的月球车在月壤上行驶过程进行动力学仿真,研究不同驱动参数下的系统动力学特性以及不同轮胎形状对行驶运动的影响,研究结果表明,交错形轮齿的月球车相较直齿形轮齿前进距离多14%,前进效率较高,该研究对月球车的设计具有理论指导意义。

电催化硝酸盐合成氨催化剂研究进展

总结了电催化硝酸盐合成氨工艺的反应机理,通过掺杂合适的杂原子、不同金属复合、金属与非金属材料杂化等方式来提高催化剂活性并抑制析氢反应。综述了近几年金属基催化剂、碳基催化剂的合成方法和性能表现,以期为研制高催化活性的环境友好型硝酸盐电化学合成氨催化剂提供参考。

电化学处理炼油企业循环水的工业试验研究

与传统的化学药剂处理技术相比,电化学水处理技术兼具除垢、缓蚀、杀菌灭藻等功能,具有显著提高浓缩倍数、节水、经济、环保等优势。本研究在某炼油企业循环水冷却系统中投用电化学设备进行工业试验,结果表明,在高浓缩倍数下,采用电化学技术协同杀菌剂,可保持循环水体的水质稳定,有效控制系统的结垢、腐蚀、微生物滋生等问题,保证系统的稳定良好运行。同时,从经济效益方面与药剂法进行了对比分析,电化学技术每年可为企业节省费用人民币百万元以上,节约水资源8×10^(5)m^(3)·a^(-1)左右。

气动齿状软体驱动器的理论建模、仿真分析及实验研究

针对气动齿状软体驱动器,从腔室侧壁膨胀角和驱动器弯曲角度的非线性几何关系出发,基于虚功原理和Neo-Hookean超弹性不可压缩材料的非线性本构关系,建立了同时考虑底层、侧壁、前后壁应变能的准静态力学模型.该模型考虑了几何非线性和材料非线性,能够准确高效求解不同驱动气压和末端载荷作用下的软体驱动器构型.在此基础上利用Abaqus软件对固支-自由软体驱动器进行有限元仿真,并搭建了相应的实验装置,对不同气压作用下的驱动器进行了仿真分析和实验研究.结果表明:驱动气压与软体驱动器的弯曲角度呈线性相关,且理论模型的预测结果与有限元仿真和实验结果基本吻合.此外,分析了软体驱动器各部位的应变能分布情况.针对驱动器受末端载荷的变曲率情况,基于分段等曲率模型得到的构型与Abaqus基本一致.该准静态建模方法为同类软体驱动器的结构优化设计、性能改善和运动控制建立理论基础.

气动齿状软体驱动器动力学建模与仿真分析

针对发生面内弯曲、超弹性材料气动齿状软体驱动器,从非线性本构关系出发,考虑几何非线性,基于绝对节点坐标法(absolute nodal coordinate formulation,ANCF)建立二维多梁结构的动力学模型。考虑多点接触,采用罚函数法对相邻气腔之间的软接触问题建模,避免相邻气腔之间的互相穿透,并能准确模拟相邻气腔从不接触到充分接触的变拓扑过程;相比于ANCF实体单元模型,二维梁模型计算规模小,更加高效。通过气动弯曲试验和ABAQUS仿真,验证理论模型的计算精度;在此基础上研究重力对软体驱动器构型的影响,分析充气速率和最终加载气压值对其动力学响应的影响。

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．

柔性转子不平衡响应及初始弯曲振动特性研究

以悬臂式热弯曲转子、Jeffcott转子、双简支光轴转子为对象研究单转子初始弯曲及不平衡响应的振动特性 ,采用传递矩阵法计算了临界转速、初始弯曲响应及不平衡响应 ,得出了普遍的规律。计算了双简支等截面光轴转子偏心距按各阶振型分布的不平衡响应 ,证实了柔性转子振动主振型正交性的性质 。

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．

作大范围运动矩形薄板的建模理论和有限元离散方法

研究了作大范围运动薄板的耦合动力学建模理论和离散化方法。对作大范围运动的薄板建立了耦合动力学模型 ,计及了在结构动力学中对薄板动力学特性影响很小的二次耦合变形量。用有限元方法对柔性薄板进行离散 ,基于 Jourdain速度变分原理导出了作大范围运动薄板的动力学方程。计算了作旋转运动的薄板的变形 ,将仿真结果与不计二次耦合变形量的传统方法进行比较表明 ,随着转速的提高 ,仿真结果出现明显的差异。此外 ,将本文有限元与假设模态法的计算结果进行比较 ,揭示了高速旋转时假设模态法的局限性 ,表明取无大范围运动的高阶模态可以提高假设模态法的计算精度。

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.

大范围运动空间梁的耦合动力学模型

从连续介质力学原理出发 ,对作大范围运动的空间梁建立耦合动力学模型 .在纵向变形中计及了变形位移的二次耦合变形量 ,基于 Jourdain速度变分原理导出作大范围运动的空间梁的动力学方程 .将耦合动力学模型的仿真计算结果与不计二次耦合变形量传统的建模理论进行比较表明 ,在大范围运动的侧向角速度和浮动基基点的纵向加速度较大的情况下 ,二次耦合变形量对系统的刚

柔性体的刚-柔耦合动力学分析

对柔性梁的刚 柔耦合动力学特性进行分析 .从连续介质力学理论出发 ,在纵向变形位移中计及了耦合变形量 ,用Jourdain速度变分原理导出了柔性梁的刚 柔耦合动力学方程 .定量地研究了非惯性系下柔性梁的动力学性质 ,比较了在不同转速下零次近似模型和耦合模型的振动频率的差异 .为了确定零次近似模型的适用范围 ,引入与转速和基点加速度有关的相关系数 ,提出了零次近似模型的适用判据为相关系数小于 0 .1.在此基础上 ,进一步研究在大范围运动是自由的情况下柔性梁的大范围运动和变形运动的耦合机理 ,计算了带平动刚体的柔性梁的大范围运动规律 ,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 .

考虑热效应的柔性板的刚-柔耦合动力学特性

研究考虑热效应的柔性板的刚-柔耦合动力学规律.根据柔性板的运动学关系和本构关系,用Jourdain速度变分原理建立了作空间运动的柔性体的动力学变分方程.引入与应变率有关的耦合项,建立了连续的热传导变分方程.用三维空间的有限元法分别对变形场和温度场进行离散,建立了动力学和热传导耦合方程.研究温度变化对系统的刚-柔耦合动力学特性的影响,发现在周期性热流作用下的共振频率与频谱分析得到的系统固有频率之间的内在关系,揭示了热传导方程中与弹性变形有关的耦合项对温度变化的影响.最后从温度场的泰勒多项式出发,对三维空间的温度场和变形场建立了精确的二维有限元模型,并对二维线性近似有限元模型的适用性进行了研究.

柔性梁的刚-柔耦合动力学特性研究

该文研究在大范围运动是自由的情况下柔性梁的刚 -柔耦合动力学特征。从连续介质力学理论出发 ,在纵向变形位移中计及了耦合变形量 ,用 Jourdain速度变分原理导出了柔性梁的刚 -柔耦合动力学方程。用频谱分析方法对带中心刚体的悬臂梁进行动力学分析表明 ,柔性梁的系统一阶固有频率低于把梁视作刚体的系统固有频率ωr,频率的差异随着ωr增大而增加 ;在初始条件一定的情况下 ,系统的二阶固有频率随着ωr 增大而增高 ,揭示了大范围运动和变形运动的相互耦合的特征。

空间伸展机构接触碰撞的动力学分析

本文以子结构离散的柔性多体系统动力学为基础，引入与碰撞有关的约束条件导出了描述碰撞过程的柔性多体系统的动力学方程。通过仿真计算可得到空间伸展机构撞击阶段的时间、构件在碰撞阶段的动力学响应；并从与约束方程相关的Ｌａｇｒａｎｇｅ乘子获得撞击力的变化规律。从而可较全面地描述空间伸展机构整个接触碰撞动力学过程。

柔性多体系统多点碰撞的理论和实验研究

研究柔性多体系统多点接触碰撞建模理论和实验方法.考虑几何非线性,基于非线性弹簧-阻尼模型,用虚功原理建立了柔性多体系统多点接触碰撞过程的动力学方程,在此基础上设计多点接触碰撞实验,通过仿真计算和实验的数值对比验证非线性弹簧-阻尼碰撞力模型在柔性多体系统多点接触中的适用性,以及考虑柔性影响的重要性.

计算碰撞力的方法

在子结构离散的柔性多体系统的动力学基础上，由质点系统的质心运动定理建立了与接触碰撞有关约束的Ｌａｇｒａｎｇｅ乘子和撞击力的关系．计算了平面三连杆机构在撞击过程中撞击力的变化规律和一些特殊节点相对浮动坐标系的平移位移，以及太阳电池阵展开过程中各构件之间的撞击力．通过计算发现，撞击力经过一定时间达到峰值后逐渐下降．在撞击发生时参加碰撞的物体的动力学响应较大，但其他物体的动力学响应很小，由此可见，冲击波在柔性体中传播需要一定的时间．

空间机械臂的刚-柔耦合动力学研究

本文对作大范围运动的空间机械臂的刚 -柔耦合动力学特性进行了研究。从连续介质力学理论出发 ,在变形位移中计及了耦合变形量 ,用 Jourdain速度变分原理导出了作大范围运动的空间机械臂的动力学方程。分别用耦合模型和不计耦合变形量的零次近似模型计算了机械臂端点的变形位移 ,揭示了两种模型的动力学性质的差异。为了确定零次近似模型的适用范围 ,引入相关系数 ,仿真计算结果表明 ,零次近似模型仅适用于相关系数的最大值小于 0 .

温度场中的柔性梁系统动力学建模

研究温度场下带集中质量的柔性梁系统的动力学问题。考虑几何非线性,在纵向变形与轴向伸长的关系式中计及了与横向变形有关的二次耦合项。考虑温度变化对系统动力学性态的影响,在本构关系式中计及了热应变。用假设模态法对各柔性梁进行离散,从虚功原理出发,根据各柔性梁之间的运动学约束关系,建立了带集中质量的柔性梁系统的动力学方程。仿真结果表明,即使在转速较低的情况下,随着集中质量的增大和温度的急剧变化,纵向变形的二次耦合项的影响不容忽视,此外,温度的变化还引起轴向变形和轴向约束力高频振荡。

闭环柔性多体系统的多点撞击问题

用子结构方法和单向递推组集方法研究闭环的柔性多体系统的多点撞击问题。在撞击过程中 ,在切割铰中增加撞击铰 ,导出了以铰坐标和柔性体模态坐标为系统广义坐标的闭环柔性多体系统在撞击阶段的动力学方程。利用相对坐标下约束方程的 Lagrange乘子和利用绝对坐标下约束方程的 La-grange乘子相等的关系求出切割铰的约束力 ,即撞击力。提出了撞击铰的切换方法。计算了卫星太阳电池阵帆板展开锁定时帆板之间多个接触处撞击力的变化规律。计算结果表明 ,对柔性体之间的碰撞 ,撞击力可能出现多个峰值 。