基于绝对节点坐标法的架空线断线工况动力学计算

为了计算架空线断线工况下的动力学变化特性,考虑架空线的绞制几何结构及其初始构型的布置特点,以绝对节点坐标法为基础,建立了架空线单元,推导了架空线单元的质量矩阵和弹性力矩阵,给出了架空线的系统动力学方程。针对钢芯铝绞线的绞制几何结构,给出了其对应的轴向、弯曲刚度计算公式。通过仿真计算得到线缆的运动图像,设计试验验证了算法模型的可靠性。结合实际架空线初始位形和初始应力特点,对不同初始应力下的架空线断线工况动力学问题进行仿真分析,绘制了悬挂点处的受力时程曲线并对曲线进行了频谱分析,研究了初始应力对断裂架空线运动过程以及悬挂点受力的影响规律。

基于绝对节点坐标法的复杂构型输流管道简支支承设计研究

输流管道广泛应用于海洋、核电、航空航天等重大工程领域,因管道与流体间的耦合效应,在流体作用下管道会出现屈曲、颤振等失稳行为.一般而言,边界支承对管道动力学特征有着重要影响,不同支承位置显著影响管道的稳定性与振动特性.当前关于管道流固耦合动力学的研究大多集中于单一的直管或规则型弯管(如弧型、半圆型和正弦型等),对于实际工程中常见的复杂构型管道,比如L型、S型和U型等,研究还较为少见.文章基于绝对节点坐标法(absolute node coordinate formulation, ANCF)建立了具有普适性的非线性振动理论模型,可用于解决任意构型和任意支承边界下输流管道动力学问题.以L型、S型和U型3种典型构型输流管道为研究对象,首先开展了收敛性分析,找出合适的计算单元数.然后借助CFD仿真结果与理论模型进行对比验证,计算结果表明,相较于有限元方法,基于绝对节点坐标法建立的理论模型在预测复杂构型输流管道的非线性变形时,具有更高的计算效率.基于该理论模型,研究了简支支承位置对3种构型输流管道的固有频率、屈曲位移和应变特征的影响规律.研究发现,存在最优简支支承位置使得输流管道基频达到最大、屈曲位移和应变的极值达到最小.本研究为提高工程中管道的稳定性与使用寿命提供了理论依据与设计指导.

基于绝对节点坐标法薄板结构振动特性分析

为研究柔性结构大变形问题,采用绝对节点坐标法(absolute nodal coordinate formulation,ANCF)对大变形柔性体结构进行建模。该方法由变形梯度和格林-拉格朗日应变来描述结构的运动以及变形,通过斜率矢量替代传统有限元法中的广义节点坐标,可直接用于解决结构中较复杂的大位移、大转动和大变形问题。根据绝对节点坐标法原理,研究薄板单元以及全参数板单元的振动特性,利用连续介质力学推导出单元的广义弹性力矩阵和切线刚度矩阵,由此建立板单元的动力学方程。利用MATLAB软件分别对薄板单元和全参数板单元进行自由模态分析,并将其仿真结果与ANSYS结果进行比较,同时通过牛顿迭代法验证2种板单元的收敛性。结果表明,消除厚度振荡影响的降阶薄板单元比全参数板单元有更好的精度和收敛特性,在针对模态分析的结构上,通过固有频率对比数据得出误差基本一致,从而单元的正确性得到验证,为后续研究和应用提供理论基础。

基于绝对节点坐标法的变截面梁动力学建模与运动变形分析

复杂变截面梁结构在运动过程中产生柔性变形对其运动精度与动力学性能有很大影响,因此建立准确的数学模型描述其柔性变形十分重要。基于绝对节点坐标法,考虑变截面梁单元边界特性,建立单元边界非线性函数关系,通过改变积分上下限,将其引入到单元质量矩阵、刚度矩阵的计算模型中。基于牛顿方程,建立变截面梁系统的柔体动力学模型。利用Matlab数值仿真,对不同单元数目、不同变截面参数的单摆梁进行动力学仿真分析。结果表明梁结构的刚度计算值与划分的单元数目相关,不同单元数目会影响系统仿真计算的效率和精度,使得运动变形仿真产生较大偏差。在保证梁体积相同的情况下,改变梁单元边界函数,可提高梁的刚度,减小其末端的运动变形,提高梁的动力学性能。在不影响梁刚度的前提下,通过改变梁截面参数,可有效降低梁的质量。

一种O(n)算法复杂度的递推绝对节点坐标法研究

相比于传统的浮动坐标法,绝对节点坐标法(absolute nodal coordinate formulation,ANCF)在处理柔性体非线性大变形问题上具有显著优势,但是对于ANCF的求解目前主要依据拉格朗日方程等分析力学原理建立微分代数方程(differential algebraic equation,DAE)进行,其算法复杂度为O(n2)或O(n3)(n为系统自由度),且求解过程存在位置或速度的违约问题.据此,研究了一种O(n)算法复杂度的递推绝对节点坐标法(recursive absolute nodal coordinate formulation,RANCF).该方法采用ANCF描述大变形柔性体,借鉴铰接体递推算法(articulatedbody algorithm,ABA)思路建立多柔体系统逐单元的运动学和动力学递推关系,得到微分形式的系统动力学方程(ordinary differential equation,ODE).在ODE方程中,系统广义质量阵为三对角块矩阵,通过恰当的矩阵处理,可以得到逐单元求解该方程的递推算法.在此基础上,给出了RANCF算法的详细流程,并对流程中每个步骤进行了细致的算法效率分析,证明了RANCF是算法复杂度为O(n)的高效算法.RANCF方法保留了ANCF对大转动、大变形多柔体系统精确计算的优点,同时极大地提升了算法效率,特别在处理高自由度复杂多柔体系统中具有显著优势.并且该方法采用ODE求解,无DAE的违约问题,因此具有更高的算法精度.最后,在算例部分,通过MSC.ADAMS仿真软件、能量守恒测试、算法复杂度曲线对RANCF的正确性、计算精度和计算效率进行了验证.

基于绝对节点坐标法的输流管道非线性动力学分析

基于绝对节点坐标法,建立一种新的一维二节点输流管道单元。应用Irschik提出的适用于含非材料体系统的Lagrange方程推导输流管道单元的运动方程。采用Euler梁来模拟管道,并完全采用非线性Green应变张量和第二Piola Kirchhoff应力张量,没有任何量级近似,也没有假设悬臂输流管道的轴线不可伸长,并考虑材料的泊松效应对流速的影响,因此通过该方法得到的运动方程比传统的通过量级近似得到的输流管道的运动方程更合理。通过数值计算,分析不同边界条件下的输流管道非线性行为,并与经典输流管道运动方程的计算结果比较,结果表明该方法更合理。

基于绝对节点坐标法的柔性绳索体建模仿真研究

将绝对节点坐标法应用于柔性绳索体动力学建模和仿真的研究之中,利用绳单元建立了二维悬臂梁、三维柔性网和刚-柔耦合柔性网三种模型。借助Bathe积分策略和广义极小残量法(GMRES)对长时间历程、非对称大型稀疏矩阵方程组进行了分析求解,得到了三种模型的动力学仿真结果。通过对柔性绳索体的建模和仿真研究,确立了适用于大变形、大位移柔性绳索体动力学研究的方法,并提出了该研究领域未来发展方向应是绝对节点坐标法与各向异性材料本构关系的结合。

基于绝对节点坐标法的弹性线方法研究

相比于浮动坐标系法,绝对节点坐标法(absolute nodal coordinate formulation, ANCF)在处理柔性体非线性大变形问题上具有显著优势, ANCF将单元节点坐标定义在全局坐标系下,采用斜率矢量代替节点转角坐标,具有常数质量阵,不存在科氏离心力等优点,然而弹性力阵为非线性项,其求解将比较耗时且占用资源.据此,在弹性力求解方法中,引入弹性线方法 (elastic line method, ELM),该方法将格林–拉格朗日应变张量定义在中心线上,采用曲率公式来定义弯曲应变,转角公式来定义扭转应变.同时采用有限元法对三维柔性梁位移场进行离散,求解梁单元常数质量阵、广义刚度阵、广义力阵,进而得到单元的动力学方程,通过转换矩阵得到三维梁的动力学方程.接着从理论上指出连续介质力学方法 (continuum mechanics method, CMM)和弹性线方法在求解弹性力上的不同点,并编制动力学仿真软件.最后分别采用连续介质力学方法和弹性线方法对柔性单摆以及履带式车辆的动力学问题进行仿真分析,结果表明:弹性线方法能在保证精度的前提下有效提高计算效率.

基于绝对节点坐标法的柔性多体系统灵敏度分析

针对多个设计变量情况下的柔性多体系统灵敏度分析,采用伴随变量法对基于绝对节点坐标法建立的柔性多体系统进行了研究。为了验证的该方法的计算效率,分别采用直接微分法和伴随变量法对受重力作用的柔性单摆进行了研究,结果表明:这两种方法计算结果的误差很小,随着设计变量数量的增加,伴随变量法有更高的计算效率。

基于绝对节点坐标法的发动机曲柄滑块系统动态性能研究

发动机曲柄滑块机构是汽车中重要的传递力和位移的机构。以曲柄和连杆工作过程中产生的柔性变形为对象,研究对发动机动力性能带来影响。采用绝对节点坐标法,建立系统柔体动力学模型,分析曲柄和连杆在工作过程中的柔性变形对活塞运动位置的影响。利用发动机压缩比评价发动机动态性能,给出某型发动机压缩比计算公式,找到影响发动机压缩比的关键参数。利用MATLAB对曲柄滑块系统进行动力学仿真,分别考虑刚体和柔性体情况,计算活塞运动到上止点的位置,进而计算发动机压缩比。通过仿真结果比对表明,曲柄滑块的柔性变形减小了发动机压缩比,降低了发动机性能,不利于发动机的燃油经济性。

基于绝对节点坐标法的柔性双臂机构动力学分析

基于绝对节点坐标法对具有变截面特征的柔性双臂机构进行了动力学分析.通过将边界函数引入到质量矩阵和刚度矩阵的积分上下限,建立了新型变截面梁单元模型.基于牛顿方程建立了柔性双臂机构的动力学模型.通过数值仿真案例,分析了材料特性及几何参数对柔性双臂机构动力学性能的影响.结果表明:材料弹性模量的增长可提高结构刚度减少结构变形;保证机械臂质量不变可通过改变截面形状来减少结构变形,提高运动精度.

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。

基于绝对节点坐标法的平面3-RRR并联机构动态特性研究

平面3-R R R并联机构的柔性杆在运动过程中产生的柔性变形会影响机构的输出精度。基于绝对节点坐标法,建立含有柔性杆、刚性动平台的平面3-R R R并联机构刚柔耦合模型,对并联机构的动态特性进行研究,获得并联机构各时刻的位姿和动平台质心运动轨迹。结果表明,柔性杆的弹性变形使动平台不能按照预期的轨迹运行。建立柔性杆局部坐标系,得到了柔性杆中点处挠度值,发现主动杆的弯曲变形远大于从动杆,柔性杆对机构输出精度的影响主要由主动杆产生。仿真结果可以为机构的设计和优化提供理论依据。

基于IB-LBFS和绝对节点坐标法的降落伞柔性结构流固耦合数值模拟

在空气动力学、水动力学和生物流体力学领域中,大变形柔性结构的流固耦合现象是一个重要的非线性力学问题.对该系统的数值模拟是分析这一问题的有效手段.将近年提出的一种Descartes流场求解器,即浸润边界-格子Boltzmann通量求解器(immersed boundary-lattice Boltzmann flux solver,IB-LBFS)作为流场求解方法,并引入绝对节点坐标法(absolute nodal coordinate formulation,ANCF)作为大变形结构分析手段,构建了流固耦合求解器以模拟三维流场中的大变形柔性体运动.使用三维来流中的旗帜摆动算例对该流固耦合求解器进行了验证计算.基于该流固耦合求解器对三维不可压流场中的矩形降落伞和十字形降落伞的展开过程进行了非定常流固耦合数值模拟.

基于绝对节点坐标法的大变形柔性梁几种动力学模型研究

对在平面内大范围转动的大变形柔性梁动力学进行了研究,基于绝对节点坐标法建立了一种新的大变形柔性梁的非线性动力学模型.该动力学模型中考虑了柔性梁的轴向拉伸变形和横向弯曲变形,利用Green-Lagrangian应变张量计算柔性梁的轴向应变及应变能,利用曲率的精确表达式计算柔性梁的横向弯曲变形能.运用拉格朗日恒等式给出了柔性梁横向弯曲变形能新的表达式,该变形能表达式更加简洁,通过新的变形能表达式得到了新的弹性力模型,由此得到的动力学方程可以精确地描述柔性梁的几何大变形问题.通过与高次耦合模型以及ANSYS中BEAM188非线性梁单元模型的比较,验证了本模型在计算大变形时的正确性以及高次耦合模型在处理大变形问题时的不足.进一步研究发现,新的广义弹性力模型可以适当地简化,给出了两种简化模型,根据不同模型的计算效率以及计算精度的比较确定了不同模型的适用范围.

基于绝对节点坐标法的压电驱动复合结构动力学特性

软体机器人的驱动一般由较硬的驱动元件与柔性介质复合而成,两相材料耦合大变形的精确描述是驱动部件结构设计与运动控制的关键.针对复合柔性板结构大变形的特点,基于绝对节点坐标方法,通过变形协调条件将梁和板单元进行耦合,同时引入压电驱动材料本构方程,建立带压电材料驱动器的复合柔性板结构动力学模型,并对其动力学特性进行分析,以研究不同参数对该动力学模型的影响.结果表明:柔性悬臂板结构在压电驱动作用下产生弯曲变形,变形量及板末端位移随驱动电压的增大呈近似线性增大规律,且板结构弹性模量越小则该变形量增大的程度越大;随着弹性模量减小,板结构产生的周期性振动幅度增大,周期变长.

平面细长梁基于无网格径向基点插值的绝对节点坐标法

为了消除或减弱传统绝对节点坐标法(Absolute Nodal Coordinate Formulation,ANCF)中缩减梁单元的"失真现象",构造了一种适用于描述柔性梁绝对位形的无网格径向基点插值(Radial Point Interpolation Method,RPIM)形函数,提出了柔性梁基于无网格RPIM的ANCF法。传统ANCF梁单元在描述纯弯曲悬臂梁的位形(一段圆弧)时,即便获得精确的单元节点坐标,通过梁单元插值得到的位形与悬臂梁的实际位形存在差异,即失真现象,悬臂梁越弯曲该差异越明显,失真越大。失真导致伪应变的产生,极大地影响数值求解的精度。而RPIM法采用一组场节点离散问题域,通过计算点支持域内的场节点构造形函数,计算点一般位于支持域的中心区域,不同计算点之间的支持域有较多重合的部分,加强了节点之间的联系,能更合理、准确地描述绝对位形,能有效减小失真。研究表明:基于RPIM的ANCF法较传统ANCF法精度更高、计算效率更快、对不等距分布节点的适应性更强,在大变形柔性多体系统动力学领域内具有推广性。

绝对节点坐标法中压电层合板的大变形研究

压电层合板可以通过对作动器施加电压变形为各种形态,在智能可折叠结构领域具有潜在的应用前景。理解这种结构的大变形作动机理是软体智能结构设计的基础。利用等效单层模型,基于绝对节点坐标法(ANCF),建立了一种柔性压电层合薄板单元。引入了压电材料的本构方程来推导弹性力和压电力,建立了压电层合薄板单元的动力学方程,并对比了在大变形范围内三种曲率表达形式的收敛效果。通过与ABAQUS有限元软件求得的结果进行比较,验证了压电层合薄板单元的正确性,并给出了一些大变形算例。结果表明,在压电材料全覆盖、部分覆盖、多段覆盖等情形下,该单元均能得到较为稳定的结果,表明此单元可以与单层线弹性单元进行耦合。此外还研究了压电层合板受集中力状态下的动态响应。该研究有助于理解受智能压电材料驱动的柔性或软体结构的复杂耦合非线性力学行为。

基于绝对节点坐标法的钢索结构动力学模型与特性

基于绝对节点坐标法并引入高阶位移插值函数,建立可描述钢索截面变形和旋转的钢索单元模型。考虑重力,计算轴向载荷下钢索结构变形及动态迟滞效应,采用准静态实验和动态载荷下的解析解验证了模型合理性。对不同载荷、结构参数及材料特性的钢索进行了准静态变形和动力学响应迟滞仿真分析。结果表明:轴向载荷下钢索结构的刚度主要受其直径影响,初始张力和钢索长度对变形的影响有限,动态响应迟滞时间由其自身长度及材料特性决定。相同条件下采用大直径钢索并适当增大初始张力,可在一定程度上增大钢索结构刚度,减小传动过程中的末端变形,改善长距离工况下钢索的传动性能。

基于绝对节点坐标法的三维柔性旋转梁动力特性分析

主要研究了三维柔性旋转梁的动力特性。采用绝对节点坐标法和几何非线性变形假设,基于一般连续介质理论,建立三维柔性梁的非线性动力学模型;基于摄动理论,结合浮点坐标方法,采用线性化技术,建立柔性旋转梁的振动频域分析模型。对柔性梁自由单摆进行时域仿真,并分析了不同转速下三维柔性旋转梁的频域特性。结果表明,随着转速增加梁的动力刚化现象明显,且垂直旋转平面的模态振型和扭转、拉伸振型所对应的频率会逐渐转化为低阶频率,从而影响柔性梁的振动特性。