基于大中衔接的金割效应物理摆教学设计

利用自制仪器“金割效应物理摆”,基于大中衔接理念,对大学物理复摆实验进行了教学设计.从高中物理单摆知识过渡到大学物理复摆知识,建立了大学与中学物理实验之间的联系.该研究重点关注学生综合能力的培养,有利于学生构建知识框架、提高解决问题的能力,并且可以有效促进中学和大学物理实验教育的衔接.

刚体转动惯量实验的改进

动力学法测刚体转动惯量是通过测量砝码脱落前后2π~6π角位移区间的角加速度平均值得到转动惯量,该实验要求砝码脱落前后系统为匀变速运动,但该前提条件并不能得到很好保证,从而引入了系统误差.本文利用黑白条码纸带、光纤放大器、数据采集卡等对实验装置进行了改进,同时优化了数据处理方法,减弱了对匀变速运动这一前提的要求.对照实验测量结果表明:改进后的实验装置的测量误差减小,对平行轴定理的验证效果得到了提升.

舰载机及其尾钩的动力学建模与分析

为了研究舰载机尾钩的动力学特性对阻拦结果的影响,建立了舰载机的平面运动刚体动力学模型和考虑尾钩纵向缓冲作用的尾钩空间运动刚体动力学模型。使用拉格朗日第一类方程建立了舰载机及其尾钩之间的转动副模型,进而构建了舰载机及其尾钩组成的系统动力学模型,将该模型与阻拦装置的系统模型联合组成了完整的阻拦动态仿真模型。开展了飞机的阻拦试验,并将试验结果与仿真结果进行对比分析,结果验证了舰载机及其尾钩动力学模型的有效性和准确性,揭示了尾钩特性对舰载机阻拦过载的重要影响。

刚体动量矩和动能的一般表示

本文研究了刚体作平面运动时,选择任意一点作为基点,写出刚体对该点的动量矩和刚体动能的一般表达式。同时,针对复杂的多体问题,将动能的一般形式推广到广义质量和广义速度乘积的矩阵形式,通过多体系统的第一个刚体,递归生成多个铰接的刚体的广义速度,并利用动能的矩阵形式来给出多体系统的动能。通过比较以质心为基点和采用矩阵形式两种计算动能的过程,说明了可以应用矩阵形式统一给出多个刚体系统的动能表达式。

二级齿轮减速器高速级轴承动态特性分析

为探究减速器轴承在动载荷作用下的动态特性变化规律,以高速级轴承为研究对象,采用广义有限元法建立了计入轴柔性、齿轮与轴承时变刚度的二级齿轮传动系统动力学模型,求解并获得轴承动载荷。基于显示动力学法建立了轴承有限元模型,计算在动载荷作用下轴承外圈的应变时域历程,并通过试验验证仿真结果的正确性。最后分析了轴承在动载荷和恒定载荷下接触特性以及打滑特性的变化规律,结果表明:在动载荷作用下,动应力波动幅值增加且内圈运动轨迹呈不稳定态势;外圈动态接触力呈余弦分布形式且波动周期与动载荷保持一致;保持架和滚子的打滑率增加,滚子运动轨迹椭圆率减小且出现“滞后承载,提前退出”的承载形式。

巧求椭圆柱面的转动惯量

在极坐标系下计算了椭圆柱面绕中心对称轴旋转的转动惯量,并数值计算了转动惯量对横截面椭圆长短半轴的依赖关系曲面.

基于马吕斯定律测量转动惯量

基于三线摆法测量物体的转动惯量原理,结合马吕斯定律,改进了传统的三线摆周期测量方法,设计了基于马吕斯定律的三线摆转动惯量测量实验装置.通过测量光信号的变化周期间接测量三线摆的摆动周期,借助数字示波器采集实验数据,结合实验数据的离散特性,使用Origin软件对示波器导出的csv文件进行绘图和快速傅里叶变换低通滤波,由C语言程序对Origin软件导出的txt文件进行读取和平均周期计算,得到较为准确的转动惯量.

机体杆端轴承-密封单元的动力学特性

机体杆端轴承在往复摆动的过程中,密封圈磨损严重,导致润滑脂保持率低和轴承寿命短,影响飞机的飞行安全。针对这一问题,建立机体杆端轴承-密封单元系统的动力学模型,分析工况条件(摆动频率、摆动振幅及轴承腔内温度)对系统密封性能的影响以及密封单元参数(密封圈内径、密封圈厚度、橡胶材料硬度、金属骨架轴向尺寸、金属骨架内径)对轴承摩擦力矩的影响规律,结果表明:密封圈与轴承内圈的最大接触应力随轴承腔内温度升高而减小,随轴承摆动频率和摆动振幅增大而线性增大;机体杆端轴承的摩擦力矩随橡胶密封圈厚度和橡胶材料硬度的增大而增大,随金属骨架轴向尺寸和内径的增大而减小,随密封圈内径增大而产生波动,密封圈内径应小于9.5 mm以避免摩擦力矩急剧增大。结合分析结果对密封单元进行增效设计,密封特性及摩擦特性试验结果表明,增效设计后,密封单元的润滑脂保持率提升了17.3%,轴承启动力矩下降了21.6%。

刚体的转动惯性旋心

转动惯量是刚体转动惯性的度量,转动惯性旋心是刚体的特殊转动中心,刚体对旋心的转动惯量张量是一个二阶球形张量,刚体对过旋心的任意轴的转动惯量都相等,过旋心的任意轴都是刚体的惯量主轴.提出并证明了转动惯性旋心定理:当刚体对质心的三个主转动惯量均相等时,质心是刚体唯一的旋心;当刚体对质心的三个主转动惯量当中仅较小的两个主转动惯量相等时,刚体有且仅有两个旋心,均在主转动惯量较大的中心惯量主轴上且关于质心对称分布,两个旋心到质心的距离均等于刚体对质心的较大与较小主转动惯量差值与刚体质量比值的平方根;当刚体对质心的三个主转动惯量互不相等或者仅其中较大的两个主转动惯量相等时,刚体不存在转动惯性旋心.

麦克斯韦滚摆的力学过程分析

分析了麦克斯韦滚摆在下降过程中的势能、平动动能与转动动能的相互转化,总机械能保持守恒;进一步分析了麦克斯韦滚摆运动到最低点的力学过程,麦克斯韦滚摆质心速度反向的原因,并给出了悬线最大张力的近似公式.

考虑桨叶伺服控制的浮式风机多刚体动力学建模与验证

浮式风机是深远海域风力发电的关键结构,分析其在复杂海况下的动力学响应特征对保障远海风能开发具有重要意义。在初步设计和方案比选阶段,需要开发能够定量把握浮式风机动力学主要特征、且分析高效的一体化分析模型。为此,针对大型Spar式海上浮式风机,建立了多刚体动力学全耦合分析模型。基于Lagrange方程,推导了考虑桨叶转动与桨距控制的8自由度刚体运动方程。结合所建议的多刚体模型,基于Spar式浮式风机1∶50缩尺模型试验实测数据,建立了与试验物理模型相应的一体化多刚体数值模型,并进行了静力、纯风、纯浪以及风-浪联合条件下数值分析结果与试验观测结果的对比分析。采用本文建模理论,建立了OC3-Spar式浮式风机足尺结构数值分析模型,并与常用的风机结构分析软件FAST的计算结果进行了对比分析。通过与上述缩尺物理模型试验和足尺数值模型软件分析对比,验证了浮式风机多刚体动力学分析模型的有效性。

转动惯量虚拟仿真实验设计

本论文结合我校实验教学的实际情况,同时借助于转动惯量理论知识,自主设计并开发了转动惯量虚拟实验系统。转动惯量虚拟仿真实验系统是一个基于浏览器进行开发,采用HTML、Javascript以及CSS3等语言,通过Three.js技术开发而来的一款网站系统,通过网页接入服务器方式,在客户端网页进行虚拟的转动惯量虚拟仿真实验,从而替代或补充在现实世界进行的真实转动惯量实验教学活动。

移动机械臂的层级聚合建模方法研究

移动机械臂因机械臂在动态作业过程中的耦合效应会影响移动平台的运动特性,增加了整个系统的复杂度和非线性,给系统建模带来了极大挑战.为此提出了一种新的层级聚合建模方法.该方法依据分析力学中Udwadia-Kalaba(U-K)理论的层级属性,首先将移动机械臂划分为3个子系统,并分别利用Lagrange方程建立各自的无约束动力学模型,然后基于移动机械臂机械结构上的约束利用Udwadia-Kalaba基本方程(UKE)建立整体系统模型.此外,针对系统存在初始条件偏差的情况,利用基于Lyapunov稳定性理论来补偿初始条件偏差,以达到收敛理想轨迹的目的.仿真结果验证了该文所提出的建模方法的可行性.

利用斜齿离合升频机制实现瓦级输出的超低频电磁式振动能量收集器

目前,大多数的能量收集器从低频运动中只能收集到较少的能量,且能量收集效率较低.低频激励下发电输出能量低是当前限制电磁俘能器多场景应用的关键问题,而电磁感应发电作为目前应用广泛且较为成熟的发电技术,具有高功率输出,被广泛应用于能量收集领域,有望解决这一技术瓶颈.文章提出了一种基于斜齿离合传动系统的电磁式振动俘能器,以系统性解决输出频率低和能量转化时间短的问题.俘能器的机械传动系统由直线−旋转转化模块、牙嵌离合模块和能量存储/释放模块3部分构成,可将外界低频、不规则的瞬时激励(约0.2~5 Hz)转化为高频、连续的单向旋转运动以实现能量转换效率最大化.对所提出的俘能器建立了机电耦合动力学模型并进行实验验证.研究结果表明,俘能器在外界脉冲激励下可以实现开路状态长达30 s的输出;接入负载后惯性旋转运动的最高转速可达750 r/min,并实现了运动频率从0.17~50 Hz的近300倍提升;单层发电模块的峰值功率可达1.25 W,两层发电模块并联输出2.5 W的峰值功率,可实现134 mW平均输出功率.此外,其紧凑高效的传动结构设计使得俘能器可以进一步集成到可穿戴设备中,在人体能量收集领域和构建自供能物联网传感节点等方向具有重要意义.

均质圆球在回转曲面上的纯滚动运动

为了解回转曲面上圆球滚动的运动学和力学特性,以便应用于机器人控制、运动仿真等领域,研究了在回转曲面上纯滚动均匀圆球的运动.对于非完整约束系统,改变切空间坐标框架写出的Euler-Lagrange方程称为Boltzmann-Hamel方程.利用约束特性,采用Boltzmann-Hamel方程,推导出了回转曲面上滚动球体的运动方程.更改运动方程的参数,可以给出滚动球体在圆柱等特殊回转曲面上的运动方程.当回转曲面为圆柱面时,求出了运动方程的解析解.最后通过数值模拟方程的解,给出了均质球在圆柱曲面上的运动轨迹.本文的方程可以适用于任何回转曲面上圆球的纯滚动,为相关工程领域的研究提供理论依据.

海流环境下二关节机械臂动力学建模及其跟踪控制

水下机械臂的水动力性能受海流载荷的影响较大,目前针对水下机械臂控制的相关研究中将水下环境做了静水的假设或将海流载荷仅仅作为一种简单的随机扰动来考虑,控制精度较低.该文分别基于Lagrange法和Newton-Euler法推导出均匀海流环境下二关节机械臂的动力学模型,考虑海流和机械臂的相对运动,引入Morison公式计算海流对机械臂的水阻力和惯性力.基于此动力学模型,利用滑模控制策略实现机械臂理想轨迹的精确跟踪.对比PD(proportional-derivative)控制,仿真结果表明滑模控制具有更优的控制效果.

基于解析结果的拉格朗日陀螺运动特性分析

本文建立拉格朗日陀螺运动方程的解析方法.导出拉格朗日陀螺做规则进动的条件,用级数展开技术得到规则进动附近的小角度章动和进动的解析解.给出陀螺自转轴运动的简明图像,即重力引起绕竖直轴的规则进动和无重力的自由进动的叠加.利用解析结果对陀螺不倒之谜给出解释.

机械振动专题上机实践案例

作为理论力学专题内容,机械振动体现了对运动学和动力学内容的综合运用。以计算机辅助教学的方式可强化学生对理论知识的理解,增强教学趣味性。介绍了利用MATLAB求解振动微分方程的方法,提出了在上机实践课中引入图形交互界面制作环节,让学生直观理解阻尼和激振力对振动的影响,并在界面制作与操作过程中提升学生对机械振动知识的兴趣,达到了虚拟仿真课程的教学效果。依托交互界面,帮助学生进一步探索隔振和减振的方法,增强学生发掘新规律、新方案的好奇心。

用三线摆方法测试物体转动惯量的误差问题

通过对均质圆盘的转动惯量用实验方法测试的结果和理论精确值的对比,揭示了摆线长度是三线摆方法测试物体转动惯量精度的主要影响因素.从而对这种方法的等效条件作了进一步的讨论和补充.

集成地质、力学信息和监测数据的滑坡动态模型

首先假设边坡滑坡体为刚体,建立边坡滑坡的动态模型,由此建立卡尔曼滤波的系统方程。边坡的力学状态通过卡尔曼滤波与边坡变形观测的数据联系起来了。模型的不确定性(模型误差)是通过建立的虚拟观测方程来考虑的。与已有的方法不同的是,所建立的方法不仅利用包含在观测中的统计信息,而且能利用边坡滑坡的有关力学状态和地质条件所提供的信息。最后,以一实例论证方法的可行性。