采用绝对节点坐标法的剪式单元可展机构动力学分析

针对可展机构在工程实践中由于质量轻、柔度大、尺寸大等特点而暴露出展开精度低、控制复杂和运动失稳等问题,采用绝对节点坐标法(ANCF)从多柔体角度分析了构件柔性对剪式单元可展机构动态特性的影响。首先,基于绝对节点坐标法,提出了一种新型无闭锁平面梁单元;然后,考虑服役于太阳能帆板、伸展臂等空间机构的剪式单元可展机构的构型特点与运动条件,基于第一类拉格朗日方程建立了三单元可展机构动力学模型;最后,采用动力学模型分析了杆件柔性对可展机构动力学行为的影响。研究结果表明:所提出的新型单元在解决单元闭锁问题的同时,将计算效率提升了18.2%;构件柔性会导致不同构件间产生共振和谐振现象,影响可展机构的展开精度。该研究可为大型、超大型伸展臂的在轨展开提供理论参考。

基于螺旋理论的正方形单元及其组合机构瞬时自由度分析

正方形单元机构在运动过程中,瞬时自由度会发生变化,从而导致其不能继续运动或者运动失稳,或构件损坏等严重后果,因此判别机构自由度的瞬时性和真实性是十分必要的。依据正方形单元及其组合机构的几何特性,基于螺旋理论和图论提出了该类机构瞬时自由度计算的新方法,对比传统的自由度计算公式,该方法可以更真实地反映机构在运动过程中的实际自由度,借助MATLAB仿真证实了该方法的正确性。并结合摄动理论解决了该类机构运动过程中自由度变化的问题,为该类机构运动控制奠定了理论基础。

Bennett单元阵列可展机构的动力学分析

为分析Bennett单元阵列可展机构的几何特性、运动学特性和动力学特性,建立通用的Bennett单元阵列可展机构的运动学和动力学分析模型.采用拆解法将Bennett单元阵列可展机构中的单元机构分成4个空间串联开链机构;根据开链机构的特性,引入坐标变换法结合螺旋理论建立Bennett单元阵列可展机构的运动学分析模型,用虚功原理法将各空间串联开链机构组装在一起,构建动力学分析模型和动力学分析方法;以4×4 Bennett单元阵列可展机构为例分析其运动学和动力学,并用仿真和实验来验证所建立的动力学分析模型和动力学分析方法.结果表明:算例中的Bennett单元阵列可展机构在其运动范围内运动平稳,对角线上的单元机构距离驱动单元愈远,其驱动角的角速度和角加速度变化范围越大.广义力矩的变化比较平缓,在其运动范围内不会引起较大冲击.仿真结果、实验结果与运动学和动力分析模型计算结果吻合较好,说明该运动学和动力学分析模型和方法是准确的,可以用来指导Bennett单元阵列可展机构的构型设计、轨迹规划和动力系统参数的选定等.

剪式单元阵列可展结构的动力学分析方法

随着阵列单元数目增多,用传统有限元动力学分析方法分析阵列可展结构计算量十分巨大,甚至变得不可能。依据阵列可展结构由单元机构规律性组合而成的特点,针对剪式单元阵列可展结构提出了一种规范化动力学分析方法(规范法)。此方法将单元机构的叠加节点自由度与内部节点自由度分开,从而实现单元特性矩阵的首尾循环相加得到整体结构的刚度矩阵和质量矩阵。以5×5剪式单元平面阵列可展结构为例,采用规范法分析其固有频率和动态响应情况。结果发现:当展开角度接近于0°和180°时,固有频率迅速减小至0 Hz。当施加外载时,无阻尼、小阻尼和过阻尼情况下的动态响应分别为周期性振动、最大振幅衰减的周期性振动和无振动。可以得出:可展结构在0°和180°附近结构不稳定,其安全工作角度为20°~160°。阻尼适当增大可以有效减小振动。规范法提高了建模效率,并且便于规范性编程计算。

正方形组合可展机构的位移模态和路径跟踪研究

可展机构的运动路径不仅可以掌握机构是否按预期规律运动,而且为其运动控制提供理论支撑。为了精确研究正方形组合机构的运动学特性,首先基于螺旋理论和图论分析了正方形组合可展机构的可动性,然后在此基础上,推导了正方形组合可展机构的平衡矩阵,将其进行奇异值分解,得到了正方形组合可展机构的位移模态。其次通过位移模态的迭代,建立了正方形组合可展机构的路径跟踪方法。最后借助算例分析,确定了正方形组合可展机构的分岔点位置,分析了分岔点位置的变化规律以及它和平衡矩阵奇异值的正相关性,发现增加额外约束和规划合理路径可以避免出现分岔现象,为正方形组合可展机构的构型设计和参数优化提供了必要的参考数据。

同轴六分支分扭人字齿轮传动系统的配齿条件研究

相比于传统齿轮传动,多分支分扭齿轮传动系统具有传递功率大、尺寸小、可靠性高等优点,故在船舶、航空等高速重载场合应用越来越多。由于多分支分扭齿轮传动系统属于过约束构型,为了实现各分支路的正确同步啮合,在设计过程中必须满足严格的配齿条件,这对保证其均布安装和运动同步具有重要意义。针对同轴六分支分扭人字齿轮传动系统,在考虑各支路运动同步和防止几何干涉基础上,建立了各支路正确啮合的配齿条件计算方法,给出了配齿计算方法流程并对某舰船动力传输系统进行了配齿的计算,获得了满足传动比要求、同心要求和同步啮合等条件的参数方案。通过三维造型验证了所提配齿计算方法的正确性,所提方法对其他同轴多分支齿轮传动的配齿设计具有普遍应用价值。

乏油条件下直升机传动系统弧齿锥齿轮的瞬态温度场

基于传热学及摩擦学原理,建立了弹流润滑和边界润滑有机结合的啮合齿面摩擦热的数学模型以及乏油润滑条件下瞬态温度场的计算方法。给出了瞬态温度场分布云图以及温度时间变化曲线,并分析功率、转速对瞬态温度场的影响。结果表明:在5 min的乏油润滑过程中,主动轮在功率从866 kW增至2000 kW时,其最大温度升高了65.7℃,而在转速从5000 r/min增至20000 r/min时其最大温度降低了85.02℃。该研究结果为无油润滑条件下直升机主减速器弧齿锥齿轮的最佳侧隙设计奠定了基础。

误差对同轴六分支分扭人字齿轮传动系统静均载性能影响

以同轴六分支分扭人字齿轮传动系统为研究对象,依据各齿轮受力状态建立该系统的静力平衡方程。考虑到制造误差和安装误差及输入输出轮浮动导致的错位,基于当量啮合误差理论,分析误差的存在性,最后根据系统功率闭环特征建立系统变形协调方程,形成了同轴六分支人字齿轮传动系统静均载分析方法,并结合实例求出系统各齿轮之间静均载系数及分支静均载系数。研究结果表明:在无误差或各齿轮误差均相同为常值时,第Ⅰ级各齿轮静态啮合力为1.773×105N,第Ⅱ级各齿轮静态啮合力为3.673×105N,系统具有很好静均载性能,系统分支静均载系数为1,该系统构成功率闭环误差可相互抵消;制造和安装误差幅值同时作用为50μm时,求得制造误差下分支静均载系数变化幅度比安装误差下分支静均载系数要大,可知制造误差对系统静均载性能影响程度要大;分扭和并车误差幅值同时作用为50μm时,并车级比分扭级静均载性能更容易受误差的影响,因此输出构件应该有浮动量。综上所述,随制造或安装误差增大或减少,都会对系统静均载性能造成不良的影响,其研究成果可为同轴减速器传动系统制造误差和安装误差精度确定,均载系数确定提供科学依据。