基于ALE-ANCF方法的卷曲展开机构动力学建模与分析

针对含复杂的多区域接触的卷曲展开机构,该研究将其简化为带刚性转盘的变长度柔性构件,建立多体系统动力学模型,以实现高效仿真。首先,基于任意拉格朗日-欧拉描述的绝对节点坐标法对变长度梁进行建模;然后,将复杂接触问题简化为移动边界的约束关系,给出一种增删节点处理方法,有效解决了单元长度变化引起的奇异和精度问题,在此基础上建立了刚-柔耦合多体系统的动力学模型,用隐式算法实现了动力学方程的数值求解。通过滑绳和动滑轮算例验证了建模方法的有效性;最后,建立了卷曲机构充气展开系统的简化动力学模型,该模型采用任意拉格朗日-欧拉法移动网格实时跟踪卷曲机构的位置,精准捕捉移动边界点,从而高效确定接触行为。分析了气压力与黏附力对展开动力学特性的影响,通过控制黏附力分布,实现了卷曲机构的匀速展开,对工程实际具有参考价值。

机电一体化背景下协作机器人动力学建模及模态分析

基于旋量理论,建立机器人刚性关节动力学模型和柔性关节动力学模型,借助CAD辨识法获得六个连杆及关节的质量、质心位置、惯性张量,运用Solidworks、MATLAB软件建立仿真模型,检验了动力学模型的有效性。最后通过ANSYS软件分析机器人的模态,计算出前两个低阶固有频率,为抑制振动效应提供了理论依据。

变结构井下救援机器人动力学建模与轨迹跟踪控制

针对钻孔救援需求,设计了一种变结构井下救援机器人,该机器人可改变自身构型,通过钻孔进入井下环境。根据机器人结构特点,分析了机器人的转向机制,建立了考虑机器人前轮/履带-土壤间力学作用、描述机器人转向特性的动力学模型;为提高机器人的转向性能,分析了系统的瞬态及稳态响应以及不同结构参数对转向性能的影响,并对机器人结构参数进行了改进;基于机器人动力学模型,设计模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)控制器,实现了直线轨迹和圆形轨迹的轨迹跟踪仿真。结果表明,所建动力学模型是有效的,MPC轨迹跟踪控制器能够稳定地跟踪期望轨迹,为机器人的控制奠定了基础。

基于无滑移接触的螺栓连接结构动力学建模方法及试验验证

为准确描述和分析动力学环境下螺栓连接结构的响应行为,提出将无滑移接触区域作为有效接触区的螺栓连接结构动力学简化建模方法;无滑移接触区可通过非线性静力学数值模拟获得。仿真结果表明,螺栓预紧力对无滑移接触区范围影响甚微,可以避免拧紧力矩以及拧紧力矩系数等参数的取值差异对建模精度的影响。同时,开展了典型组合结构从部件级到系统级的多层级模态试验,测试结果表明多阶模态频率及振型的试验结果与仿真结果吻合良好,说明该建模方法准确、有效,适用于正向设计过程中对产品动力学特性的研究。

非惯性系下舰载稳定平台动力学建模与分析

为解决舰船在恶劣海况下产生的大幅度、多维度的不规则摇荡运动,提出了一种6-DOF并联平台隔离舰船运动的方案,并对该方案的动力学特性进行了深入研究。首先,基于矢量关系推导该平台构件在惯性坐标下的速度、Jacobi矩阵和能量方程式,由拉格朗日方程和虚功原理得到其在非惯性系下的显式动力学方程。其次,利用Adams搭建该平台的虚拟缩比模型,采用P-M波谱和响应幅值算子模拟复杂海况下舰船的摇荡运动,基于SIMULINK软件实现MATLAB软件与Adams软件联合仿真。最后,计算分析5级海况下的运动实例,理论结果与仿真结果的驱动力误差在0.11%内,验证了本文动力学模型的正确性,且计算结果表明,平台可分别补偿船舶95.7%、97.7%和87.9%的横、纵和艏摇运动,验证了所提方案的有效性。研究结果对非惯性系下舰载稳定平台的动力学控制具有指导意义。

考虑不平衡磁拉力的双馈异步风力发电机轴承外圈故障动力学建模

轴承故障会引起双馈异步风力发电机转子气隙变化,产生不平衡磁拉力(UMP)。为准确揭示双馈异步风力发电机轴承故障振动特性,开展了考虑UMP的双馈异步风力发电机轴承外圈故障动力学建模研究。首先,基于赫兹接触理论构建了轴承外圈故障模型;然后,推导了正常和轴承故障下发电机转子的气隙磁密,得到了发电机转子受到的UMP解析式;最后,采用Runge-Kutta法对模型进行求解,得到了轴承故障振动响应。试验分析表明:所提动力学模型能够有效揭示双馈异步风力发电机轴承故障振动信号的双冲击现象,UMP激励会影响风力发电机轴承外圈故障振动信号的调制特性。为风力发电机轴承故障诊断提供了新的理论参考。

基于动力学建模的滚动轴承全寿命周期退化模型

建立滚动轴承全寿命周期的仿真模型对于其退化性能分析和健康管理具有重要意义。然而,关于如何建立滚动轴承的全寿命周期物理模型的研究很少,为了更好地研究滚动轴承的退化规律,提出了一种基于动力学建模的滚动轴承全寿命周期退化模型。首先,基于滚动轴承的结构参数和运动参数分别建立了滚动轴承内、外圈故障的四自由度动力学模型,并通过试验验证,验证了该模型的准确性;然后,构建了缺陷指数函数,最后将缺陷指数函数代入动力学模型中获得了滚动轴承全寿命周期退化模型。通过将仿真模型获得的全寿命周期退化振动信号与实测信号进行比较,验证了该退化模型的有效性。该研究成果对滚动轴承健康状态监测和寿命预测提供了理论支撑。

高速短距离阻拦装置动力学建模与仿真分析

针对撞击安全性试验中橇车的高速短距离阻拦需求,提出一种基于非密封型阻尼缓冲水缸与高强度柔性阻拦索的新型高速阻拦装置。从该装置的构成与工作原理出发,考虑阻拦索的弹性变形与活塞的惯性效应,建立阻拦过程的动力学模型,获得橇车加速度、水缸压力、阻拦行程等关键动力学参数的变化特征,并与试验数据进行了对比验证,证明了所建立的动力学模型能够较为准确地反映阻拦装置的动力学特征。基于该动力学模型,分析阻拦索刚度、阻尼孔分布形式、阻尼孔面积、活塞质量等参数对阻拦性能的影响规律,结果表明:宜选用轻质高强的柔性绳索作为阻拦绳;选用大斜率双曲线型的节流孔分布方式,水缸的阻尼效果较好;节流孔面积、活塞面积在设计时应进行综合评估;在保证活塞结构强度的前提下,应尽量降低活塞的质量。

行进间坦克炮控系统动力学建模与稳定控制

考虑行进间坦克炮控系统受路面颠簸引起的外界扰动和炮控系统工作时火炮俯仰运动不平衡力矩影响,基于第二类Lagrange方法建立行进间坦克炮控系统两轴耦合2自由度动力学模型。针对炮控系统的实际受力和运动状态,建立方位向和高低向驱动系统含有永磁同步电机以及传动机构分别含有齿轮减速箱与滚柱丝杠的行进间坦克炮控系统机电耦合动力学模型。为快速抑制行进间坦克炮控系统内外扰动对目标稳定跟踪的影响,基于非奇异快速终端滑模控制律和线性扩张状态观测器设计具有有限时间收敛特性的行进间坦克稳定跟踪控制器。根据行进间坦克炮控系统对目标的稳定跟踪过程计算炮控系统稳定精度和到位时间,并在不同工况下与传统控制方法进行对比。研究结果表明,新方法响应速度快、抗干扰能力强、稳定精度高,验证了控制器设计的有效性。

航空发动机整机动力学建模及模型确认

针对航空发动机整机结构部件多、连接状态复杂、动力学特性预测困难的问题,提出了基于“超模型”虚拟测试数据的航空发动机整机结构分层次动力学建模及模型确认方法。建立各单个部件的简化模型,在初始无样机时,基于超模型的虚拟测试数据对单个部件简化模型进行动力学模型确认;基于两两连接部件超模型的虚拟测试数据,实现确认后的简化模型两两连接界面的修正与确认,连接部件超模型的虚拟测试数据通过部件的超模型与螺栓连接超模型建模理论获得;建立转子组件的动力学模型,并基于参考数据进行修正与确认;将确认后的转子模型和考虑连接的机匣系统模型进行组合,获得整机动力学模型。以某型涡扇发动机为例,采用该方法建立了其整机动力学模型。确认后的发动机整机简化模型的临界转速预测值与实际发动机整机测试的临界转速参考值对比,误差在10%以内,验证了方法的有效性。

柔顺宏微操作系统动力学建模及振动抑制研究

针对高速大范围宏运动时柔顺微操作器的微纳振动问题,建立系统动力学模型并设计改进离散滑模控制策略对微观弹性振动进行抑制。首先以气浮宏动平台和压电纤维微操作器构成的宏微操作系统为对象,结合假设模态法、拉格朗日方程和非对称迟滞模型,建立系统综合机电动力学模型。然后,在所建模型基础上设计变速趋近律调节切换增益,从而实现非线性离散滑模控制。最终搭建宏微操作系统测控平台,并进行轨迹跟踪和振动抑制试验。在轨迹跟踪时,对于不同频率的正弦参考轨迹,所设计的控制策略均能精确跟踪给定信号且误差较小;在振动抑制时,当宏动平台沿梯形与S轨迹运动时,微操作器残余振动稳定时间比改进前分别减少26.1%和50.0%,比无控制时分别缩短53.6%和53.3%。验证了动力学模型与离散滑模控制的有效性,提高了系统控制精度与效率。

贴敷约束阻尼层的螺栓连接板半解析动力学建模及减振分析

在太空环境中太阳翼帆板的振动难以抑制,因此太阳翼帆板的减振研究至关重要。利用双搭接螺栓连接板结构模拟太阳翼帆板的展开状态,研究了通过贴敷约束阻尼层对其进行振动抑制的方法。创建了贴敷“H型”约束阻尼层双搭接螺栓连接板结构的半解析动力学模型,包含:利用层间剪切变形原理,推导了约束阻尼层结构的应力应变关系,用复模量表征黏弹性层的阻尼特性;考虑螺栓的影响区域,提出用复面弹簧单元和修正质量模拟双搭接螺栓结合部的刚度、阻尼和质量特性;引入正交多项式作为位移容许函数,利用拉格朗日方程和Hamilton原理建立了局部贴敷“H型”约束阻尼层的螺栓连接薄板的动力学方程。进行了实例研究,通过组建的试验系统证明了所创建的复合结构半解析模型在求解固有特性及振动响应参数方面的合理性,同时试验及半解析模型计算结果均证明约束阻尼层对双搭接螺栓连接板具有减振效果。最后,基于所创建的半解析模型分析了贴敷面积及约束阻尼层厚度对双搭接螺栓连接板减振效果的影响。

高速飞行器结构/气动/推力耦合动力学建模方法

高速飞行器采用细长体布局和推进-机体一体化设计,并大量使用轻质材料、薄壁结构。这些因素造成推进系统与气动力、结构变形之间的相互影响,带来特殊的推力-气动弹性耦合问题。针对此类问题,本文基于飞行力学小扰动理论建立动力学方程,引入当地流活塞理论显式气动力模型、模态法结构变形模型和准一维超燃冲压发动机模型等兼顾分析精度和效率的子学科模型,提出了一种结构-气动-推力耦合的吸气式高速飞行器动力学建模方法。采用此方法针对类X-43典型高速飞行器二维模型进行动力学稳定性分析,包括推力及弹性耦合对飞行器动力学特性产生的影响和对关键耦合参数的变参分析。分析结果验证了建模方法的可行性,并证明了推力-气动弹性耦合对飞行器动力学特性的特殊影响,其中推力耦合会显著降低长周期稳定性,弹性耦合会略微增加短周期稳定性,而舵偏振动耦合则会显著降低短周期稳定性。

绳牵引门式起重机器人动力学建模与分析

由于传统的造船门式起重机难以控制吊具姿态,因此涉及空中翻身等复杂动作的精准组装作业成为难点。为提高船舶建造效率、减少建造周期,将绳牵引并联机器人应用至门式起重机吊装领域,并开发一种新型绳牵引起重机器人。首先,通过矢量封闭理论对绳牵引起重机器人的运动学位置逆解进行分析,拟定吊具的运动轨迹,分析绳长的变化情况。其次,基于牛顿-欧拉法建立了绳牵引起重机器人的动力学模型,并采用绳索张力分布算法对绳索张力进行了优化。再次,通过MATLAB和ADAMS进行联合仿真。仿真结果表明:优化后的绳索张力光滑连续变化;在系统为开环的情况下,环形轨迹下绳长变化最大误差均值为46 mm;螺旋线轨迹下绳长变化最大误差均值为27 mm;往复运动轨迹误差比例均值为0.55%。最后,搭建了实验样机,实验条件下绳索张力误差比例在22%以内,验证了建立的动力学模型的准确性,为控制策略设计及样机开发提供了理论基础。

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。

EVO切丝机刀辊轴承动力学建模与振动响应分析

为了探究EVO切丝机刀辊轴承的振动特性,以圆柱滚子轴承为研究对象,考虑时变位移和Hertz接触,建立了含外滚道缺陷的圆柱滚子轴承四自由度动力学模型。通过求解动力学微分方程组,获得了仿真振动响应信号,分析了仿真信号特征并验证了模型的可行性。最后研究了不同转速对轴承振动响应的影响,研究表明,轴承振动幅值会随转速的增大而增大,为EVO切丝机刀辊轴承的状态监测提供了理论指导。

基于管-实体单元耦合的串联管路动力学建模及降应力优化

针对空间串联管路迫切需要减振的问题,提出了一种基于管-实体单元耦合的空间串联管路有限元建模方法,并在此基础上执行了以降低应力响应为目标的卡箍布局优化.详细描述了建模理念,即卡箍及管接头等应力较大区域采用实体单元建模,其他区域采用管单元建模,最终将各部分耦合起来完成整体建模.创建了具体的优化模型,并给出了利用遗传算法进行优化的流程.以典型的串联管路为对象进行了实例研究,通过仿真与试验验证了所创模型的合理性.执行了降应力优化,获得了系统最优卡箍布局,优化后的系统基频最大共振应力相较于初始状态降低了27.05%.

面向癫痫的神经元微环境动力学建模方法

癫痫是由大脑神经元超同步异常放电所引起的一种常见的慢性神经系统疾病。大量生理实验和神经计算建模研究表明,神经元异常放电是癫痫发作的电生理基础,而神经元微环境动力学改变是引起神经元结构和功能发生变化,进而刺激神经元异常放电,导致癫痫发作产生和发展的潜在原因。基于此,本文首先从影响神经元微环境改变的四个主要因素(离子浓度、能量代谢、神经递质和细胞体积)出发,分别就其动力学建模的神经机制和建模方法两方面进行系统阐述与分析,然后对未来可探索的研究方向进行展望,以期更加全面地了解该领域的发展动态和研究进展,为进一步研究癫痫异常放电模式的动力学本质以及癫痫发病的神经机制奠定良好的理论基础。

细胞微环境介导肿瘤耐药性的动力学建模研究进展

肿瘤耐药性是限制癌症疗效的最大障碍之一,肿瘤微环境在耐药性的发生发展过程中发挥着重要的作用.为了深入探究微环境介导肿瘤耐药性的作用和机制,需要全面系统地研究药物治疗过程中肿瘤生态系统的动态演化.数学模型可用于描述肿瘤微环境中的各种组分的相互作用和变化,进而揭示微环境介导肿瘤耐药性的机理和演化规律,并为设计更有效的治疗策略提供参考和依据.本文首先介绍了微环境介导肿瘤耐药性的生物学知识和相关概念;随后分类介绍了几类典型数学模型的最新研究进展;之后以脑胶质瘤微环境为例,介绍了使用不同方法建立耐药性的演化动力学模型的流程;最后展望了进一步的研究方向.

变长度加油软管系统动力学建模及运动特性分析

空中加油过程中,软管锥套受复杂气流干扰发生飘摆运动,同时在受油机的撞击作用下可产生甩鞭现象,严重制约了空中加油的成功率及安全性。为了研究软管锥套系统的运动特性,基于绝对节点坐标方法建立变长度软管动力学模型。同时考虑软管材质的阻尼特性、加油吊舱卷盘机构的收放运动、加油过程中存在的紊流及尾涡等风场环境,根据多体系统动力学建模理论,获得软管复杂风场下加油锥套系统动力学模型。利用有限元分析软件ANSYS仿真及Simulink数值计算对软管平稳拖曳状态下锥套的下沉量进行模拟,同时将锥套平稳拖曳阻力Simulink数值结果与NASA公开数据资料进行比较,说明所提建模方法的准确性和可行性。通过数值仿真,确定了不同飞行高度/飞行速度下加油软管的稳定拖曳状态,分析了不同对接速度下软管甩鞭动力学特性,验证了不同测力反馈点对甩鞭抑制效果的影响。