多层并联压电作动器快速响应的尺寸优选

压电作动器是星载卫星天线高精度形面控制的主要元件,但其在工作时加载电压后容易引起瞬态和残余振动,影响控制稳定性和控制精度。针对压电结构在动态形状主动控制过程中的振动抑制问题,课题组设计了一种具有位移放大的多层并联压电作动器结构,并对压电作动器在阶跃激励下的瞬态响应进行分析,揭示了中间层材料和结构尺寸等关键参数对作动器响应速度的影响规律,提出了压电双晶片作动器快速响应的尺寸优选方案。研究结果表明设计的压电作动器具有输出位移大、响应速度快的特点。该研究可为大型天线形面主动控制的高精度作动器研制提供依据和技术支撑。

计及接触线垂向不平顺的弓网耦合动力学分析

建立弓网系统垂向耦合动力学模型,将接触线垂向不平顺实测数据引入该模型,仿真得到计及接触线垂向不平顺时不同速度条件下的弓网间接触压力值;以接触线垂向不平顺实测数据为基础,建立接触线垂向不平顺谱,对该线路的接触线垂向平顺状态进行评估;基于三角级数合成法得到一系列具有相同功率谱密度的接触线垂向不平顺样本,仿真分析得到弓网间接触压力的统计量。通过研究,揭示了接触线垂向不平顺对弓网间接触压力的影响规律。

计及列车车体随机振动影响时受电弓的随机动力响应

运用随机平均法研究计及列车随机振动影响时受电弓的随机动力响应。首先建立列车随机振动影响下受电弓的动力学理论模型与运动微分方程,然后运用随机平均法得到关于受电弓振幅的伊藤随机微分方程,求解与该方程相应的FPK方程,从而得到计及列车随机振动影响时受电弓的稳态响应以及弓网间离线概率的解析解。结果表明,列车车体随机振动对弓网间的受流质量有较大影响,且随着列车速度的提高影响逐渐变大;随着列车振动强度增大,弓网间受流质量明显降低;当速度参数接近1,弓网间发生主共振,受流质量会严重恶化。

基于相干分析的接触导线高度不平顺不利波长研究

为了更深入地了解接触导线高度不平顺特性,基于相干分析,研究了接触导线高度不平顺不利波长区间.将国内高铁线路实测接触导线高度不平顺数据作为激扰引入弓网耦合动力学模型中,经仿真计算得到不同速度等级下弓网间接触力的统计量.对弓网间接触力与接触导线不平顺作相干分析,研究不同速度等级下影响弓网耦合接触的不平顺不利波长区间和最不利波长.结合分析接触线导高不平顺谱,探讨了不利波长的产生原因.研究结果表明,接触导线高度不平顺最不利波长一般为跨距或者2倍吊弦间距长.

受电弓弓头悬挂系统的随机跳跃与分岔

基于随机平均法研究考虑刚度非线性时DSA X型受电弓弓头悬挂子系统的随机动力学特性.建立弓头悬挂子系统的非线性动力学模型,基于受电弓的结构参数计算获得非线性刚度.弓网间接触压力简化为对弓头悬挂系统的周期和随机组合外激励,建立描述弓头悬挂动态行为的非线性随机微分方程.基于随机平均法得到弓头悬挂子系统的稳态响应统计量,研究非线性强度对稳态响应的影响规律.结果表明,弓头滑板的稳态响应出现随机跳跃,随着非线性强度的变化随机跳跃会产生或消失,即发生分岔.

随机激励的非线性Markov跳变系统的稳态响应

大量实际工程问题需要用同时包含连续和离散变量的Markov跳变系统来描述.本文介绍了一类随机激励的单自由度(强)非线性Markov跳变系统的稳态响应的研究方法.首先,基于随机平均法导出具有Markov跳变参数的平均It随机微分方程,原系统方程的维数得到降低.接着,根据跳变过程原理,建立Fokker-Planck-Kolmogorov(FPK)方程组,方程组中的方程与系统的结构状态一一对应且互相耦合.求解该FPK方程组,得到Markov跳变系统的稳态随机响应及其统计量.最后,以一个高斯白噪声激励的Markov跳变Duffing振子为例,计算得到不同跳变规律下系统的稳态响应.研究结果表明,Markov跳变系统的稳态响应可以看作是各结构状态子系统稳态响应的加权和,加权值由跳变规律决定.

国际理论与应用力学联合会关于非线性随机动力学与控制研讨会简介

由国际理论与应用力学联合会（IUTAM）主办,浙江大学承办的国际理论与应用力学联合会关于非线性随机动力学与控制研讨会（IUTAM symposium on nonlinearstochastic dynamics and control）于2010年5月10日～14日在杭州举行.

2010非线性随机动力学与控制研讨会

2010年5月10—14日，浙江大学成功举办了国际理论与应用力学联合会关于非线性随机动力学与控制研讨会（IUTAM Symposium on Nonlinear Stochastic Dynamics and Control）。

接触网上跨输电线断线运动轨迹研究

研究目的:随着国内高速铁路和高压输电线路的快速建设,高压输电线跨越铁路接触网的现象越来越普遍。然而,自我国高速铁路开通运营以来,曾发生多次因上跨输电线断线而导致接触网故障,严重影响高速铁路运营安全,因此急需对接触网上跨输电线采取必要的防护措施展开研究。本文针对大风或覆冰等典型极限工况,研究上跨输电线断线后的运动轨迹,为接触网防护结构大小设计提供依据。研究结论:(1)对于最大风条件下,输电线断线后,跨越高差14 m时最大横向漂移位移超过30 m;(2)对于最大覆冰条件下,输电线断线后,跨越高差14 m时最大横向漂移位移不到3 m;(3)基于Recurdyn的动力学仿真,为接触网故障仿真提供了新的有效技术手段;(4)该研究结论可用于确定接触网上跨输电线防护结构纵向长度。

物品包装临界跌落高度与缓冲衬垫特性参数关系初探

运用经典的加速度损坏边界和新提出的位移损坏边界理论 ,研究了线性包装系统临界跌落高度与缓冲衬垫特性参数 (缓冲衬垫刚度、最大可压缩量 )间的关系 ,并给出了数值解 。

高速列车弓网关系研究

通过近期对高速情况下弓网系统进行深入研究,首先,对不同接触网模型建模方法进行了研究,并建立了4种接触网波动特性的研究模型,辨识了不同接触网模型结构差异造成的波动特性变化,确定了该接触网系统的波动特性,包括：波速、波长及频率等;辨识了高速气流扰动的特征,并通过对不同流固耦合仿真方法的研究,建立了弓网系统流固耦合联合仿真方法。在此基础上,对列车通过隧道以及接触网风振响应进行了相应的分析;其次,在接触网不平顺方面,对受电弓底盘阻尼器和弓头悬挂系统非线性进行实验测试和建模,同时,进一步细化了基于梁单元的接触网参变量有限元模型,从而可实现弦单元、梁单元、梁-弦混合模型的任意建模和数值仿真。针对接触网的周期性特点,以精细积分方法为基础,建立了周期子结构精细积分方法;在电接触特性方面,构建了弓网系统接触区域有限元模型,研究了弓网间隙的电场分布及其随振动间隙的变化规律,建立了弓网电磁力数值分析模型,研究了牵引电流、拉出值、振动间隙对弓网间电磁作用力的影响规律,分析了正常和瞬态短路工况下的弓网电磁作用力数值范围,设计了高压大电流弓网电接触试验系统;最后,通过开展弓网间电弧放电特性和接触网波动特性试验研究,对理论研究工作提供了数据支撑。结果表明：采用多跨实际接触网模型对波动特性研究较为合理,并通过弓网系统耦合仿真确定其接触网的波速,进而确定其频率、波长特性的方法是可行的;当列车通过隧道时,由于隧道壁面的限制,使得受电弓的气动阻力和气动抬升力较明线上运行增大,接触线的动态抬升位移也相对增加,弓网受流质量相对变差;接触网在脉动风作用下产生了较大的风振位移和风振应力,有效控制风荷载引起的接触网位移和应力对列车运行安全性十分重要;导高不平顺的阈值,可为接触网的架设、维护提供参考;在弓网耦合系统仿真中,接触网承力索采用弦单元离散,接触线采用梁单元离散,既可保证仿真结果的合理性,又能尽可能的保证计算效率;弓网电磁作用力受牵引电流影响较为显著,正常工况下弓网电磁作用力较小,而短路工况下,弓网作用力迅速增大,对弓网动态特性影响较为显著;弓网间产生的电弧对碳滑板的磨损率、弓网间摩擦副的接触表面温升的影响较大,导致电流发生畸变,对电路中的电器设备造成不利影响。

接触网上跨输电线断线冲击载荷研究

通过多体系统动力学仿真软件Recur Dyn,建立覆冰输电线和接触网防护结构的柔性多体系统动力学模型,分析覆冰输电线断线后对接触网防护结构及其地面的冲击载荷。研究接触刚度、接触阻尼、摩擦系数等仿真参数对冲击载荷的影响规律。研究表明,由于输电线变形及与防护结构间的摩擦,冲击载荷主要集中在沿输电线的水平方向。研究结果可用于防护结构的强度设计,研究不同接触参数对冲击载荷的影响规律,为防护结构材料和外形选择提供理论依据。

风电叶片管道内窥履带机器人的设计与运动分析

针对风电叶片内部变截面、大坡度、多障碍等环境特征,设计了一种四自由度关节的履带式管道内窥机器人用于叶片内部检测和维护,并对该机器人的运动学特征进行了分析。该机器人包括前后履带式移动平台和中间四自由度关节三部分。四自由度关节由蛇形机器人常用的二自由度十字关节和前后旋转模块组成,通过四个电机之间的配合,可实现抬头、转弯、多角度翻转、爬坡等功能。介绍了该四自由度关节的基本结构、动力系统和连接机构等;基于D-H方法对机器人的正逆运动学问题进行分析,得到了机器人的工作空间,并用CoppeliaSim对机器人进行了整体动态仿真;根据设计方案研制了机器人样机,并通过实验对机器人各功能的实现进行了验证。

装甲车辆座椅非线性随机振动的最优半主动控制

装甲车辆在崎岖路面上行驶时,其内部座椅在随机载荷作用下产生剧烈振动,严重影响乘员的乘坐舒适度,因此需对座椅的随机振动加以控制。旨在研究装甲车辆座椅非线性随机振动的最优半主动控制方法。首先,以装甲车辆座椅系统为研究对象,建立装甲车辆座椅的非线性随机动力学模型。接着,应用随机平均法和随机动态规划原理给出了最优半主动控制力的具体形式,得到了座椅系统在未控状态和受控状态下稳态响应的概率密度、均方值等统计量,最后通过数值模拟验证了理论方法的正确性。结果表明在受控状态下,该控制策略对稳态响应均方值的控制效果达到了85.0%,具有良好的减振效果。

受电弓静力学研究

受电弓静力学分析是受电弓研究的重要方面,文章以某型号受电弓为研究目标,利用几何解析的方法对其进行了机构运动学关系和静力学的分析,计算了该型号受电弓的弓头运动轨迹,升弓转矩,并得到了他们之间的关系。

基于压电叠堆惯性作动器的随机振动控制研究

本文主要研究了基于压电叠堆惯性作动器的随机振动控制方法并分析了控制力时滞对控制效果的影响规律。首先,对压电叠堆惯性作动器的动力学特性进行分析,建立了考虑惯性作动器动力学的主结构的随机动力学模型;接着,提出主结构随机振动'线性'二次高斯控制(linear quadratic Gaussian,LQG)方法,并探讨了作动器惯性质量和刚度等对控制效果的影响规律;最后,研究了控制力时滞对控制效果的影响,并提出了利用时滞优化控制效果的方法。研究结果表明,压电叠堆惯性作动器对结构的随机振动具有较好的控制效果,当控制时滞时间τ=0.025 s时控制效果可以得到进一步优化。

扭杆式履带车辆机电悬架的非线性随机最优振动控制

履带车辆在崎岖的路面上行驶时,其车体在随机路面作用下产生剧烈振动,严重影响作战人员的工作环境与行进间的射击精度,因此需要对车体的振动加以控制。本文研究了考虑电机执行器有界时扭杆式履带车辆机电悬架非线性随机振动的最优控制。首先根据扭杆式悬架空间结构和空气弹簧力学模型,建立了机电悬架的非线性随机动力学模型。随后,基于随机动态规划原理建立机电悬架系统动态规划方程,考虑到电机执行器的执行能力有限,求解该方程确定了随机最优有界控制策略。最后,通过对比受控与未受控系统的响应统计量,对提出控制策略的控制效果进行评估,并讨论了控制回路时滞对控制效果的影响规律。结果表明提出的控制策略可以有效降低履带车辆机电悬架系统的非线性随机振动,并且控制策略对系统参数变化具有较好的鲁棒性,为保证主动控制力的有效性,时滞时间应控制在0.15 s以内。

MEMS电容式加速度计的四拱梁悬挂设计与参数优化

微机械结构的设计是MEMS电容式加速度计研究的重要内容。本文设计了一款四拱梁悬挂的MEMS电容式加速度计结构,建立了四拱梁悬挂结构的力学模型,对拱梁的结构参数进行了优化分析并获得了最优悬挂参数,接着利用COMSOL软件对微机械结构的自振特性进行了分析,并研究了静电对微结构自振频率的影响。研究表明,设计的四拱梁加速度计具有结构稳定、敏感方向位移灵敏度好、自振频率可调等特点,可为高性能的MEMS电容式加速度计的研制提供理论参考。

MEMS力平衡加速度传感器以测量误差最小为目标的控制算法

力平衡传感器(FBA)测量加速度是由反馈控制力与外界惯性力平衡时的控制力计算得到的,力平衡控制算法是力平衡传感器的核心.传统控制算法多以敏感元件偏移平衡位置最小为目标,限制了力平衡加速度计的测量精度和适用带宽.本文以MEMS力平衡传感器为对象,提出了一种以测量误差最小为目标的力平衡加速度计最优控制算法.引入测量误差新变量,将难以处理的力平衡控制转化为以响应最小为目标的经典控制问题,在此基础上获得了最优控制力的解析表达式,实现了对未知加速度信号的实时高精度检测.分别针对三种不同类型的输入加速度信号(阶跃、周期和随机)进行检测仿真,发现提出的算法能够准确地检测各类输入加速度信号,测量信号频带达kHz量级,同时在该控制算法下敏感元件的振动响应也得到有效控制,保证了加速度传感器的大动态范围.研究成果可为高精度和宽频带力平衡加速度传感器的研究提供基础.

基于柔性多体动力学的三维接触网振动及零部件疲劳寿命分析

本文针对高速电气化铁路接触网风致振动、弓网耦合振动以及零部件疲劳寿命,研究了基于柔性多体系统动力学的三维弓网耦合动力学模型建模方法,提出了基于反馈控制方法的三维接触网静态找形算法,以及多种吊弦疲劳分析模型和疲劳寿命分析算法,并开发了相应核心功能模块,包括线路及接触网参数化建模,接触网风致振动分析,弓网耦合振动分析,关键零部件疲劳寿命分析,以及自动生成分析报告的后处理模块。