滚珠丝杠进给系统刚柔耦合动力学建模与时变动态特性分析

数控机床运行过程中,多轴滚珠丝杠进给系统的刚度和惯量会随着各轴位姿的变化而变化,致使其动态特性呈时变的特点。多轴滚珠丝杠进给系统时变动态特性的高保真建模与分析已成为数控机床轮廓误差精准预测的瓶颈难题之一。针对这一难题,提出基于拉格朗日方程与Ritz级数法的滚珠丝杠进给系统刚柔耦合动力学建模与分析方法。以某型号五轴加工中心的两轴滚珠丝杠进给系统为具体对象,重点考虑丝杠本体轴扭方向的连续弹性体变形影响,采用拉格朗日方程建立滚珠丝杠进给系统的刚柔耦合动力学模型,并采用Ritz级数法对方程求解,得到动力学模型的数值解。利用所建立的动力学模型分析进给轴位姿对两轴进给系统固有频率和模态振型的影响,发现各阶固有频率和模态振型随进给轴位姿的变化规律与对应阶次的主导轴有关。随着主导轴进给台由固定端移动至支撑端,对应阶次的固有频率逐渐减小,对应阶次的振型中丝杠本体的弹性振动幅值逐渐增大。此外,两轴进给系统的低阶模态振型主要由承载轴主导,高阶模态振型主要由附属于承载轴的子轴主导。最后,通过模态实验对所提方法进行应用验证,证明所建立动力学模型的准确性。研究结果对数控机床轮廓误差的精准预测具有重要参考价值。

基于刚柔耦合动力学的齿轮传动系统动态特性

为得到齿轮轴系响应的动态特性,从柔体动力学基本理论出发,系统分析了刚柔耦合动力学模型的机理,建立了多级齿轮传动刚柔耦合的虚拟样机。此模型能综合考虑传动轴各方向上的柔性特征、湿式换档离合器动态特性以及齿轮时变啮合力对轴类零件动态响应的影响。仿真结果证明了通过虚拟样机技术获取载荷谱的可行性,可用于轴的疲劳寿命预测以及齿轮箱体的振动研究。

船用挖掘机机械臂刚柔耦合动力学及特性研究

将船用挖掘机机械臂结构近似处理成带末端集中质量的柔性悬臂梁。考虑机械臂轴向变形,用拉格朗日定理建立其刚柔耦合的动力学方程,用数值方法求解相关参数一阶固有频率灵敏度,获得机械臂振动固有频率及相关参数变化关系。应用NASTRAN、ADAMS等软件建立柔性臂架、柔性变幅绳、柔性抓斗提升钢丝绳、刚性支架、刚性回转平台的船用挖掘机机械臂系统虚拟样机模型。结合该机械臂系统结构及工况特点进行动力学仿真分析,获得系统位移、速度、加速度及连接点铰接力、机械臂的动态应力等动态性能。并对结果对比论证,为进一步研究机械臂工作稳定性及运动精度控制提供依据。

两种刚柔耦合动力学模型的对比研究

以由中心刚体与弹性梁构成的刚柔耦合系统为对象 ,对比研究了一次近似和传统零次近似这两种耦合动力学模型在同一问题上表现出来的不同性质 .首先从变形理论出发 ,导出了在结构动力学中被忽略的变形位移的二次耦合项 ,建立了由中心刚体与弹性梁构成的刚柔耦合系统的一次近似动力学模型 .通过计算反例 ,揭示了对于刚柔耦合多体系统 ,即使没有大范围旋转运动提供的强离心场 ,在某些条件下零次近似模型也不能正确描述柔性体的刚柔耦合动力学性质 。

大范围运动刚体-柔性梁刚柔耦合动力学分析

对自由大范围运动情况下刚体-柔性梁系统的刚柔耦合动力学特性进行了研究。考虑系统作平面大范围运动及柔性梁的纵向和横向变形,在纵向变形位移中计及横向弯曲引起的轴向缩短,即耦合变形项。采用假设模态法对柔性梁进行离散,运用拉格朗日方程推导出系统刚柔耦合动力学方程。分大范围运动为转动、平动,平面运动进行了动力学仿真,重点探讨了大范围平动下的刚体-柔性梁系统的刚柔耦合动力学特性。首先研究了系统在外界激励作用下的耦合动力学,其次分析了已知大范围平动对柔性梁小变形运动的影响。结果表明:零次近似模型不能反映大范围平动和柔性梁小变形运动之间的耦合作用;在不同的大范围平动加速度下,柔性梁中既可存在动力刚化效应,也可存在动力柔化效应。

车载冷发射刚柔耦合动力学建模与仿真

为了分析大跨度柔性车架和起竖托架对车载冷发射系统动态响应的影响,满足快速化和精确化仿真的需要,针对车载冷发射系统典型结构和弹射物理过程,基于笛卡尔坐标方法描述体的运动,以适应发射车约束复杂的特点。采用浮动坐标系方法描述柔性体的变形,通过模态综合法缩减系统的自由度数,并提出采用赫兹接触模型模拟弹重的释放过程,最终建立了车载冷发射系统刚柔耦合动力学快速仿真模型。分别基于弹射模拟试验系统和实装系统对仿真模型进行了试验验证和仿真验证,并进行了车载冷发射刚柔耦合动力学响应分析。结果表明:提出的刚柔耦合仿真模型能够快速有效地分析车载冷发射弹射过程的动态响应特性,满足工程设计的需要;柔性车架模型比刚性车架模型更合理,而且弹射过程发射管口x向相图的奇异点为稳定焦点,说明车载冷发射系统能够恢复到稳定平衡状态。

空间四连杆引纬机构刚柔耦合动力学分析与仿真

为更加准确地反映剑杆织机空间四连杆引纬机构在高速运转时的动力学性能,对其进行刚柔耦合动力学建模与仿真.首先,选取空间四连杆引纬机构中的十字摇轴为柔性体,在ANSYS中对其进行网格划分并生成中性文件.然后,将生成的中性文件导入到ADAMS中替换刚性十字摇轴,建立空间四连杆引纬机构刚柔耦合动力学模型并进行仿真.最后,将仿真生成的载荷文件添加到ANSYS中的十字摇轴上,对其进行瞬态动力学分析.结果表明:刚柔耦合动力学仿真与刚体动力学仿真相比,剑带位移和速度曲线整体趋势相同,但加速度曲线存在显著差异,即十字摇轴的柔性变形会直接影响剑杆的引纬准确性和稳定性,并且主轴转速越高,柔性变形对引纬动作影响越明显.基于ANSYS对十字摇轴进行动力学分析,得到十字摇轴所受应力最大点以及十字摇轴连接处节点的应变曲线.以上结果可为引纬机构的优化设计提供理论参考.

钻井振动筛筛网刚柔耦合动力学仿真

为了研究叠层平板式筛网在电机激振作用下的动态响应,在RecurDyn软件中建立了三电机振动筛的多刚体仿真模型,并对模型进行了检验。基于有限元多柔体动力学(MFBD)技术,在刚体模型的基础上建立了筛箱与筛网的刚柔耦合多体动力学模型,通过对其仿真,得到筛网在处于不同振动轨迹、不同螺栓预紧力、不同支撑条件下的振动参数、被测点动应力值、应力云图等。分析结果表明:刚柔耦合模型能够更加准确的反应振动筛的抛掷指数;在一定范围内增大预紧力,能够使筛网动应力减小;增加筛箱支撑条数目能够使筛网受力更加均匀。

跨座式单轨刚柔耦合动力学等效计算研究

轮轨刚柔耦合动力学是车辆动力学及有限元研究的基础,跨座式单轨轨道的刚度较小及受力较大,相比车体更加适合做柔性化处理,但是由于跨座式单轨轨道梁的大尺寸使得计算难度较大,其刚柔耦合动力学的成果较少。针对柔性轨道的跨座式单轨刚柔耦合动力学,采用等效原理将轨道梁的动态受压变形化为车辆轮轴所受的外力,并构建了轮轨耦合动力学方程,建立了基于迭代方法的轨道梁有限元模型及车辆动力学模型,将计算结果与实车试验数据比较,验证了迭代的收敛性及准确性。结果表明:采用等效力及迭代方法可以有效的计算跨座式单轨刚柔耦合动力学。

矩形薄板的刚柔耦合动力学系统的建模理论研究

以由中心刚体与柔性板构成的刚柔耦合系统为对象,研究了零次近似模型和耦合模型在动力学方程以及实际计算中表现出来的差异。首先,从连续介质理论出发,在变形位移中,计及了在结构动力学中被忽略的变形位移的附加耦合项,建立了由中心刚体与柔性板构成的刚柔耦合系统的一次近似动力学模型。用一致质量有限元法对柔性板进行离散,基于Jourdain速度变分原理推导出大范围运动为自由的柔性板刚柔耦合动力学连续变分方程。通过数值仿真研究中心刚体和柔性板的大范围运动和变形运动的规律,揭示刚柔耦合动力学性质。通过数值对比,指出了零次近似模型的局限性。

热冲击下的复合材料壳刚柔耦合动力学研究

研究了在热冲击下任意形状(仅一个方向有曲率)复合材料壳的非线性刚柔耦合动力学响应。根据Mindlin理论,建立了任意形状的复合材料壳的非线性应变-位移关系。借助于数学理论以及几何关系,描述了壳上任意点的变曲率。用虚功原理建立了动力学变分方程,并采用等参单元对壳的连续动力学方程进行离散,建立了中心刚体-复合材料壳的刚-柔耦合动力学方程。用高斯积分计算常值阵,为了提高计算效率,采用广义-α法结合Newton-Raph-son迭代法对动力学方程进行积分。将采用该方法计算得到的频率与ANSYS软件计算得到的作对比,验证了模型的正确性。通过算例分析了在热冲击作用下复合材料壳的线性、非线性的动力学特性,以及曲率、材料特性对动力学响应的影响。

发动机配气机构刚柔耦合动力学特性研究

基于三维实体模型,运用刚柔耦合理论,把摇臂视为柔性体,采用动态子结构法,建立了某顶置气门发动机配气机构凸轮轴—摇臂—气门系统三维刚柔耦合动力学模型,对其动态特性进行了仿真,得出气门的动力学响应、摇臂动态应力等变化规律。结果表明该发动机配气机构气门升程曲线连续光滑,凸轮与摇臂工作接触过程中无脱离现象发生。

3-RPS并联机器人刚柔耦合动力学分析

主要探讨了并联机器人刚柔耦合系统的动力学仿真分析方法,通过有限元软件与多体系统动力学软件相结合,建立了3-RPS并联机器人的多体系统动力学模型.借助刚体和柔体相结合的分析方法,分析了并联机器人的力学特性,获得了机器人在带载运动过程中机械手末端的位移变化和误差曲线,以及机器人各支链连杆的危险部位和应力变化曲线.采用刚柔耦合相结合的分析方法,更加直观、准确地模拟了机器人的实际工作状况,提高了对于在动载作用下零件动态响应分析的准确性,为并联机器人的结构设计与优化提供了重要的理论依据.

含间隙多连杆机构刚柔耦合动力学建模与分析

针对间隙和柔性构件对多连杆机构动力学响应的影响,研究了一种适用于多连杆机械式压力机的平面六杆机构。建立了转动副间隙矢量模型,通过Lankarani-Nikravesh法向接触力模型和改进的库伦摩擦力模型建立了转动副间隙处的碰撞力模型。基于绝对节点坐标法建立了柔性梁单元模型,通过拉格朗日乘子法建立了含间隙机构的刚柔耦合动力学方程,并通过Adams虚拟仿真软件验证了动力学模型和理论分析的正确性。研究间隙值和摩擦系数对机构动力学响应的影响,利用相图、Poincare映射图和分岔图对机构的非线性特性进行分析,结果表明,随着间隙值的增大和摩擦系数的减小,机构受到的影响越大,产生的响应峰值越高,同时转动副间隙处的混沌现象有所增强。

基于绝对节点坐标法的空间并联机构刚柔耦合动力学建模

为研究柔性杆件对空间并联机构动力特性的影响,以具有结构冗余的3-RRPaR空间并联机构为研究对象,提出建立冗余空间并联机构刚柔耦合动力学模型的通用方法。基于绝对节点坐标法建立了三维二节点梁单元模型,分析了机构的结构特征,利用拉格朗日乘子法推导了机构的刚柔耦合动力学方程,采用广义α方法在Matlab中对其动力学方程进行数值求解,得到不同弹性模量下的动力学响应曲线。结果表明,柔性杆件对机构输出特性产生重要的影响,弹性模量越小,对机构的影响越大,且弹性模量对动平台加速度的影响最为显著。本研究为空间并联机构的刚柔耦合动力学建模提供了研究思路。

多柔体系统刚柔耦合动力学有限单元法

传统的多柔体系统动力学建模理论 ,往往基于小变形线性动力学的基本假定 ,采用线性的Cauchy应变理论描述应变—位移关系。但是 ,对于具有刚性旋转的位移场来说 ,Cauchy应变理论并不适用。本文采用Green Lagrange应变理论 ,描述有大位移运动的梁单元的非线性位移—应变关系 ,通过对应变能的分析和线性化处理 ,建立起相对变形坐标一阶精确的一致线性化的多柔体系统有限元模型 ,仿真算例的结果验证了该方法的有效性和结构中的几何非线性对系统动力学响应的重要作用。

南京四桥索鞍吊装系统刚柔耦合动力学仿真

以南京长江第四大桥的散索鞍(北锚)吊装系统为原型,综合应用UG、Ansys和ADAMS对索鞍吊装过程进行刚柔耦合动力学仿真分析,并将分析的数据成功地应用到索鞍吊装系统的设计优化中,为随后索鞍顺利吊装就位打下了坚实的理论基础。

航天器太阳阵的刚柔耦合动力学与控制研究

对空间漂浮航天器太阳阵展开与锁定过程的刚柔耦合动力学与控制问题进行较为全面的研究。基于Jourdain速度变分原理和单向递推组集方法,建立了太阳阵展开与锁定过程的刚柔耦合多体系统动力学模型,采用模糊自适应PD控制方法对航天器本体的姿态扰动进行主动控制。通过对考虑柔性效应的太阳阵展开与锁定过程的数值仿真,较好地预测了太阳阵展开历程及航天器本体姿态扰动情况。另外,通过采用模糊自适应PD控制方法与传统PD控制方法进行仿真比较,验证了该控制方法对航天器姿态控制的有效性。

基于CompactDAQ刚柔耦合动力学实验台的搭建

介绍了一种基于虚拟仪器技术的刚柔耦合动力学实验台的设计方案.基于Compact DAQ控制器和数字I/O模块,实现了对角位移、角速度、应变等一系列的物理量的测量,可用于验证多种刚柔耦合模型.同时可以控制电磁喷气阀的喷气来控制台体的旋转,可用于验证不同控制方法对于刚柔耦合系统控制的效果.该实验台具有低成本、高精度、高可靠性、扩展灵活等特点.

刚柔耦合动力学——轻量化协作机器人设计与控制的力学基础——解读《机器人刚柔耦合动力学》

传统机器人采用厚实的结构来保证其具有足够的刚度,以减小机器人的结构振动,但是这种"粗笨"结构的机器人存在高能耗、适应性差等问题。为了提高机器人的节能性,要对机器人的结构进行轻量化设计,但轻量化设计又会导致其柔性结构振动,这就需要对机器人进行动态控制,以提高其动态刚度来减小结构振动。另外,能感知人协作意图、适应环境与目标变化的机器人因具有柔顺结构而适应性能良好,也存在柔性结构振动的可能。因此,利用柔性结构带来轻量节能与适应能力的前提是减小柔性结构振动,这需要研究柔性结构的动态控制,这些动态控制的力学基础都是刚柔耦合动力学。