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。

基于力学模型的曲面展开通用算法

为了解决曲面展开算法实现复杂、累积误差和通用性不佳的缺点,提出一种在三维空间内基于能量模型的曲面展开算法,待展开的曲面以三角网格形式表示,将曲面简化为三角网格的顶点组成的质点系统,通过在每个质点上加上适当的力使得三角网格产生相应的变形,达到将曲面展开的效果。与现有算法相比,该曲面展开算法适用于任意形状曲面,不需要使用投影平面,整个变形完全由网格顶点受力来驱动,便于实现、适用面广、对于不可展曲面也能得到较好的展开效果,而不会出现裂纹现象。

基于响应面法的低温风洞扩散段热力学模型修正

低温风洞运行过程消耗大量液氮和电力,洞体结构产生附加热应力和热变形,建立可靠的低温风洞热力学模型对研究风洞运行安全性和经济性是必不可少的。以低温风洞扩散段为方法研究对象,建立有限元热力学模型,为提高热力学模型和实际模型的相关性,使用响应面法对有限元热力学模型多个参数进行修正。通过对比分析温度、应力监测点试验数据和仿真数据的差别,确定驻室锥形体内表面对流换热系数为待修正参数;使用中心复合试验设计生成有限元热分析样本空间,以温度、应力监测点试验数据和仿真数据的残差均方和为考核指标,在样本空间内对残差均方和进行非线性回归分析,建立残差均方和的响应面模型;以所有监测点残差均方和总和为目标函数,在样本空间内进行多目标非线性优化分析,得到最优解;验证修正后的热力学模型,结果表明:(1)基于响应面法的热力学模型修正是可行的;(2)修正后的热力学模型分析数据与试验数据吻合性提高,并且适用于其它降温试验。

含刚性体可展开结构的展开过程动力学分析方法

在可展结构中设置刚性体可以有效提高展开效率,保证形状精度,因此含刚性体可展结构具有较高的实用价值。刚性体按需要可为刚性曲板等,一般形状复杂且形式多样,含任意形状刚性体可展结构的展开过程动力学分析比较困难。本文以笛卡尔坐标系下节点坐标及位移为变量,利用广义逆矩阵建立了一种通用的刚性体动力学方程,给出了利用Newmark-β法进行展开过程动力学分析的数值计算方法。通过算例分析及与ADAMS软件结果进行对比,验证了本文方法的正确性。与传统的多体系统动力学方法相比,该分析方法的优点是数学描述简洁明快,包含的未知量少,能够有效地分析含任意形状刚性体的可展开结构动力学问题。

基于近似模型和模式搜索法的履带车辆多体动力学模型参数修正研究

履带车辆多体动力学模型仿真结果的准确度直接影响其动力学性能分析结果的可信性。为提高仿真结果的准确度,研究了多体动力学模型参数的修正方法。首先建立了履带车辆多体动力学模型,通过对比仿真结果与实车测试结果,初步验证了模型的可信性;并给出了参数修正目标函数的表达式。通过参数筛选确定了待修正模型参数。采用克里格插值法,构造了待修正参数与目标函数之间的近似模型;解决了修正效率低、计算量大的问题。针对修正问题的无约束性和非线性,采用模式搜索法进行参数修正的迭代计算。修正结果表明,动力学模型仿真结果的准确度得到了提高,证明了修正方法的有效性。

一种在轨可展开天线的多柔体动力学建模与计算

研究了一种考虑重力梯度的大型空间可展开天线桁架的动力学建模与计算问题.使用绝对节点坐标法和绝对节点坐标参考节点法建立了可展开结构的刚柔耦合动力学模型.利用离散方向导数构建了动力学方程的保能量动量时间积分算法,通过计算获得了含有多个模块的大型空间可展开天线在轨展开以及展开后轨道机动过程轨道-姿态-变形耦合动响应.通过数值计算结果与经典算例结果、商业软件ADAMS计算结果的对比分析验证了提出方法的正确性.

钢球展开过程运动学及动力学分析

钢球表面质量检测常用的办法是依靠展开机构中的摩擦力将钢球表面完全展开,摩擦力对钢球表面检测效率和精度有着重要影响。为分析摩擦对钢球展开的影响,根据展开轮与钢球接触的几何约束关系,对钢球与展开轮接触模型进行运动学分析,得到钢球与展开轮接触点位置的变化规律;由于展开装置构件之间全部依靠干摩擦接触约束,在古典Coulomb摩擦模型基础上,结合展开装置特性,建立修正的Coulomb摩擦模型,建立钢球和展开轮的运动微分方程,得到钢球与展开轮接触点处摩擦力的变化规律,并分析接触点处接触力的影响因素;同时根据展开原理构建实体模型进行虚拟仿真并搭建物理样机进行试验,结果表明驱动轮转速直接影响钢球与展开轮接触点法向接触力变化,从而影响接触点处摩擦力变化特性,通过摩擦力变化特性,解释了展开轮能实现钢球表面展开的工作原理。

卫星太阳帆板展开的动力学仿真分析与应用

研究了卫星帆板展开对整星姿态的影响,优化了展开策略.对单块帆板的展开进行了理论建模,得到了转动角度和时间关系的解析解;结合某卫星工程实际对单块帆板进行了ADAMS动力学仿真,建立了更接近实际的ADAMS模型和参数设置.通过搭建的单块帆板展开试验机构进行展开试验,测得了驱动力矩、阻力矩等参数,并对理论模型和ADAMS模型进行了参数修正.修正后的结果显示理论计算、仿真和试验结果相差在5％以内.对于10.6 kg帆板而言,驱动力矩每增加0.09 N·m,展开时间缩短0.4～0.5 s,冲击载荷相应增加400 N左右.修正过的ADAMS模型可应用于整星帆板展开动力学分析,得到不同展开策略对卫星姿态影响的大小,为展开模式的选择、姿态精确控制提供参考依据.

基于指数变换的三维六角形节块法动力学程序开发及验证

熔盐堆是第四代先进反应堆6个候选堆型之一,包括液态燃料熔盐堆和固态燃料熔盐堆,其中固态燃料熔盐堆采用高温熔盐作为冷却剂,具备高温、常压、高功率密度等优点,在固有安全性以及经济性上具有极大的优势和潜力。为了开展六角形燃料组件熔盐冷却先进高温堆瞬态分析和安全评估,基于指数变换和六角形节块展开法,开发了三维时空动力学程序TCORE3D-HEX。选取了两个俄罗斯VVER型压水堆国际基准题算例,通过对比及分析国际上几种适用于六角形几何的时空动力学程序,验证TCORE3D-HEX程序的正确性。结果表明:基于指数变换和六角形节块法开发的三维时空动力学程序数值计算结果与国际上其他程序计算结果符合得很好,初步验证了程序的正确性,为钍基熔盐堆核能系统(Thorium Molten Salt Reactor,TMSR)设计提供了可靠的分析和评估工具。

断裂力学问题的杂交边界点方法

提出了一种求解断裂力学的新的边界类型无网格方法-杂交边界点法.以修正变分原理和移动最小二乘近似为基础,同时具有边界元法和无网格法的优良特性,求解时仅仅需要边界上离散点的信息.该文将杂交边界点方法应用到弹性断裂问题中,将移动最小二乘方法中的基函数扩充,能更好的模拟裂纹尖端应力场的奇异性,推导了求解断裂力学的杂交边界点法方程,与传统的无网格方法相比,文中方法具有后处理简单,计算精度高的优点.数值算例表明了该方法的稳定性和有效性.

混凝土断裂力学虚拟裂缝模型的半解析有限元法

利用平面扇形域哈密顿体系的方程,通过分离变量法及共轭辛本征函数向量展开法,以解析的方法推导出基于混凝土断裂力学中虚拟裂缝模型的平面裂纹解析元列式· 将该解析元与有限元相结合,构成半解析的有限元法,可求解任意几何形状和荷载混凝土平面裂纹的虚拟裂缝模型计算问题· 数值计算结果表明方法对该类问题的求解是十分有效的。

构架式天线柔性动力学建模与展开精度分析

构架式可展开天线具有结构非线性强、桁架系统复杂以及运动环节多等特点,通常被视作刚体系统进行建模分析。然而多刚体动力学方法在求解复杂的连杆结构时,难以处理数量大、非线性强的铰接间隙模型,因此并不能准确还原真实的结构特性,给构架式天线的地面展开验证带来很大困难。本文建立了一套适用于该型天线的柔性多体动力学模型,通过引入微小弹性形变来消除铰链间隙对天线展开的影响,并在型面精度方面与期望的天线展开模型进行了比较说明。在确保不影响结构真实性的前提下,通过降阶、引入稳定系数等手段提高了柔性体单元计算效率。通过约束方程的设计与模块拆分求解等方法,消除结构非线性的影响。解决了针对构架式可展开天线的复杂桁架系统强非线性动力学的高精度建模问题,为构架式天线的仿真提供了技术手段。

基于里兹法的绳系卫星动力学仿真

同时考虑系绳质量、弹性、形变等因素的绳系卫星系统动力学仿真是复杂的非线性偏微分方程求解问题。为便于构造连续型模态函数,采用了基于牛顿定理及广义胡克定律建立的绳系卫星系统动力学模型。基于里兹法将位移函数构造为模态函数与待求系数的线性组合,进而将原本复杂的非线性偏微分方程转化为较常见的非线性常微分方程。仿真算例基于绳系系统从稳定平衡位置及面外角5°自由展开来进行,数值仿真印证了绳系系统的基本动力学特性,同时发现系绳自由展开及摆动过程中有微弱弯曲现象且计算效率不够高。

大型抛物柱面天线展开动力学分析与展开过程控制

为揭示大型抛物柱面天线在轨展开过程中各部件的动力学特性,保障可展天线在轨展开过程稳定性,提出了一种基于模块组装的大型抛物柱面可展天线支撑机构动力学快速建模方法与非线性展开过程反馈控制策略。首先,基于绝对节点坐标法建立了天线可展支撑机构基本模块的动力学方程集与约束方程集。然后,通过子模块组装的方式实现对超大型支撑机构的动力学快速建模,并进一步提出逐块缩聚与递归的动力学微分方程高效求解算法。最后,基于非线性展开过程反馈控制策略实现了抛物柱面可展支撑机构该类强非线性系统的展开稳定控制。结果表明,该控制方法能显著降低可展支撑机构展开过程中的速度峰值,有效提高了大型抛物柱面天线展开过程中的展开同步性。

基于假设模态法的风力机动力学分析

采用Kane方法建立风力机系统动力学模型,并使用假设模态离散化方法对其进行柔性化。结合修正的BEM理论计算得到的风轮气动载荷,并在Fortran环境下编程建立风力机整机的系统动力学数学模型,完成对风力机的随机响应分析。以某型2.5MW风力发电机组为研究对象进行分析计算,将分析数据同国际权威计算软件GH Bladed数据比较。比较表明,该分析模型可以较好的模拟风力机的动力学特性,同时兼顾了较少建模计算时间和较高分析精度两个优点,近而验证采用假设模态法进行风力机动力学分析是一种行之有效的方法。

编织防扭钢丝绳绳股展开线研究及力学建模

鉴于编织防扭钢丝绳在电网建设工程中应用的普遍性以及目前国内外学者研究较少的现状,在椭圆假设、编织防扭钢丝绳成形研究基础上,借助椭圆的四心圆法,研究编织防扭钢丝绳股空间展开线的形状,获得了绳长与编织角及对应椭圆弧长之间的关系式;考虑钢丝绳的物理特性参数,并分析钢丝绳受载变形情况,推导出对应任意弧段绳股沿股轴向拉力及沿绳轴向力的表达式,进而建立了编织钢丝绳轴向拉力作用下的力学模型,并以四方八股编织防扭钢丝绳为例,推导出在任意横截面内,钢丝绳所承受的拉力和拉应力的关系式。最后通过数值模拟得出,与椭圆曲率大的弧段相对应的绳股局部所受的等效应力较大,为进一步对编织防扭钢丝绳进行力学分析奠定了理论基础。

基于初始矩阵修正法的折叠充气天线展开特性分析

充气膜结构具有质量小、展开尺寸大、收纳比高等特点,在航空航天领域应用前景广阔,受到了广泛的重视。为了详细了解折叠充气天线从折叠状态到完全展开状态的动力学特性,建立了包含支撑气柱、元件垫层、电子元件及刚性约束杆的充气天线有限元模型,并且基于初始矩阵修正法对折痕处进行修正,采用控制体积法对充气天线的充气展开过程进行了研究,获得了在恒定充气速率下无重力的展开相关动力学参数。通过对此模型在折叠处添加粘扣进行模拟,结果表明:运用初始矩阵修正法后折叠处的单元畸变得到了明显改善,充气结构作为天线的支撑体能够顺利将天线进行展开,同时对充气结构添加粘扣后,其展开更加有序和稳定。

太阳帆航天器展开机构柔性动力学建模

研究了大型太阳帆航天器展开机构的柔性动力学建模问题。首先对结合模态综合法和混合坐标法介绍了太阳帆展开机构柔性动力学一般模型建立过程。根据工程需要对展开机构进行模态分析,给出了工程实用的各耦合系数的计算表达式,并计算出各耦合系数。

高超声速折叠翼展开动力学研究

折叠翼飞行器在飞行过程中通过机翼的展开与折叠,来满足不同飞行任务时的最优飞行性能.在飞行过程中,折叠翼能够顺利展开并安全锁定是折叠翼飞行器顺利完成任务的根本原因之一.因此,针对高超声速折叠翼被动展开过程,研究其精确动力学建模与仿真,优化系统参数与飞行姿态,使得折叠翼展开锁定后的冲击响应满足结构要求.首先,采用绝对节点坐标法建立柔性折叠翼的柔性多体系统动力学模型,采用活塞理论建立气动力模型,从而形成折叠翼的柔-流耦合动力学模型,并采用广义a算法求解.其次,研究被动展开扭杆参数、阻力扭簧参数与飞行姿态等对高超声速折叠翼被动展开动态过程的影响,优化系统参数,有效降低展开锁定后的冲击响应.

曲面展开方法的发展现状

从几何展开、力学展开和几何展开/力学修正等三个方面论述了具有代表性的曲面展开方法,包括它们的原理、特点和工程应用情况,并提出了未来的发展方向。