人体下肢多体动力学仿真和步态稳定性实验研究

人体下肢是人进行步行运动的主要工具,下肢的肌肉骨骼系统是步行的执行机构,正常的下肢功能保证了人们的日常活动;下肢损伤会引起人们运动障碍,下肢运动障碍康复者虽然具有行走的能力,但是其稳定性和平衡性较差。本文着眼于人体下肢,总结并阐述了人体下肢多体动力学仿真以及步态稳定性的实验研究进展,展望了其发展趋势,旨在为临床康复治疗及康复设备的设计与开发提供帮助与数据支持。

海洋核动力平台定位系统多体动力学模型试验验证

为验证海洋核动力平台定位系统多体动力学模型的合理性,从而提高该平台长期系泊的可靠性,本文采用多体动力学方法与缩比模型试验方法,对核动力平台定位系统进行建模与验证。基于定位系统多铰连接的拓扑结构,结合多刚体动力学理论,建立了定位系统的多体动力学仿真模型。搭建了定位系统1∶9缩比模型试验平台,并选取2种典型工况进行验证。研究结果表明:定位系统多体动力学模型计算的系泊腿受力与实验结果符合良好,平均误差在2%以内。算例分析发现,系泊腿受力循环次数主要集中在低幅值高均值区域。本文模型试验验证了所提出的定位系统多体动力学模型的可行性与正确性,能够为定位系统系泊能力的评估提供参考和借鉴。

基于多体动力学的飞剪高速振动优化

针对回转式飞剪机的工作特性,提出采用多体动力学仿真和试验方法以提高飞剪机的剪切速率。建立基于多体动力学和瞬态动力学的飞剪仿真模型;通过仿真计算得到飞剪机运行过程中的运动轨迹,并分析不同转速下整机的动态响应;利用电测方法对飞剪机进行振动试验,验证仿真模型的可靠性;最后,引入S形加减速曲线理论对工作曲线进行优化。结果表明:优化后的工作曲线使得飞剪机的振幅减小40%,减少了冲击;同时,还使得剪切周期缩短,有效提高了剪切速率,并保证了剪切精度。

月球车与月壤交互作用的离散元-多体动力学耦合建模

目前,对于散体颗粒物质与复杂机械系统的耦合作用研究,面临着跨尺度、计算规模庞大以及非光滑表面的接触检测困难等问题。为了探究月球车与月壤交互作用,首先对颗粒-多体耦合系统动力学建模与接触算法进行研究。分别用离散元方法(discrete element method, DEM)和多体动力学(multibody dynamics, MBD)笛卡尔方法建立了散体球形颗粒和含约束多体系统的动力学模型,并基于Hertz-Mindlin模型计算颗粒与刚体的接触力,在此基础上给出顺序耦合策略,建立了离散元和多体耦合的动力学模型。针对月球车齿状车轮的非光滑表面与颗粒之间接触检测规模庞大的问题,提出了非光滑形状物体的分区域局部检测方法,降低了局部检测的规模。通过对比圆柱体冲击颗粒的试验和仿真结果,验证了离散元-多体耦合模型的准确性。在耦合动力学建模和接触算法研究的基础上,对具有齿状车轮的月球车在月壤上行驶过程进行动力学仿真,研究不同驱动参数下的系统动力学特性以及不同轮胎形状对行驶运动的影响,研究结果表明,交错形轮齿的月球车相较直齿形轮齿前进距离多14%,前进效率较高,该研究对月球车的设计具有理论指导意义。

软式空中加油系统鞭甩现象多体动力学分析

软管-锥套式空中加油系统的柔性结构经常发生不同程度的软管鞭甩现象,极大影响空中加油任务的安全性。基于柔性多体动力学,建立了空中加油系统动力学模型,其中,利用基于任意拉格朗日-欧拉描述方式和绝对结点坐标法的索/梁模型描述管线的大变形、大范围运动以及软管收放,并对空中加油系统受到的气动力进行建模,建立的模型能够反映加油机和受油机运动、软管和锥套的变形与气动力的耦合影响。基于建立的空中加油系统动力学模型,复现飞行状态下的软管鞭甩现象,获得了鞭甩现象的形成机理。研究表明,对接冲击下,软管平衡状态改变所形成的剪切波向后传播与反射是鞭甩现象产生的主要原因。通过多工况计算结果,分析了软管刚度、对接速度、Ma数各因素对鞭甩现象引起的软管剪切力、纵波与剪切波传播速度的影响规律,并分别分析了软管收放控制和加缓冲的受油插头两种措施对鞭甩现象振动抑制的有效性。

基于参数化多体动力学模型的内齿式回转支承动态优化设计

内齿式回转支承兼有滚动轴承的回转支承特点和齿轮啮合传动特点,在联合载荷作用下其动态性能的影响因素众多,容易出现轮齿磨损或断齿、套圈滚道磨损和运行精度变差等问题。综合考虑钢球与内外套圈滚道、保持架兜孔的动态接触作用及内齿圈轮齿间的啮合传动作用,建立了内齿式回转支承参数化多体接触动力学模型。分析了沟道曲率半径、保持架兜孔孔径、初始接触角和轮齿变位系数等关键设计参数对回转支承齿轮啮合力、1号钢球与N1滚道的接触力、内齿圈质心轴向和径向振动位移的影响规律。在此基础上,采用试验设计(design of experiment,DOE)方法,对内齿式回转支承的关键设计参数进行全因子试验设计及计算,获得了多参数影响下回转支承的动态性能。结合线性加权法,运用统一量纲法和权系数法构造新的多目标优化函数,提出了回转支承动态性能的多变量多目标优化设计方法,得到回转支承的轮齿啮合力下降了49.27%,1号钢球与N1滚道的接触力下降了29.6%,内齿圈质心轴向振动位移减小了5.41%,内齿圈质心径向位移减小了15.88%,回转支承的性能得到了优化。研究结果为回转支承的动态设计提供了参考。

基于多体动力学模型的柴油机曲轴振动特性分析

为了减少发动机故障分析曲轴系统的扭转振动,建立了由活塞、连杆、曲轴、飞轮和硅油阻尼器组成的曲轴系统三维模型。利用多体动力学仿真软件ADAMS,建立了由多自由度组成的刚性混合动力发动机系统的多体动力学模型,对其进行扭振响应仿真,对曲轴的扭振进行分析。该仿真结果具有较高的精度,该计算方法具有一定的工程应用价值。

基于多体动力学的曲轴应力分析

利用有限元法对某发动机锻钢曲轴进行多体动力学计算,分析曲轴在发动机实际工作过程中的应力分布,确定曲轴断裂原因。分析结果表明:正常情况下曲轴的第八曲柄臂与曲柄销过渡圆角处应力最大,为350.0 MPa;当第二主轴承螺栓松动时,第二曲柄臂与曲柄销过渡圆角处应力最大,达977.4 MPa;第二主轴承螺栓脱落时,第二曲柄臂与曲柄销过渡圆角的最大应力达995.3 MPa。在主轴承螺栓松动或脱落的情况下,曲轴曲柄销圆角的最大应力远超曲轴材料的屈服强度,曲轴容易在此处产生裂纹并断裂。

基于青少年特发性脊柱侧弯的多体动力学-有限元双向耦合模型研究

目的青少年特发性脊柱侧弯(adolescent idiopathic scoliosis,AIS)是我国中小学生面临的第三大健康问题。肌骨多体动力学模型和有限元模型是当前脊柱侧弯主流的生物力学模型。然而,肌骨模型无法提供柔性体的变形和内应力情况,脊柱有限元模型的真实边界条件定义模糊,且目前这两种模型在脊柱侧弯领域仅实现单向耦合。因此,本研究结合二者优势,建立双向耦合脊柱侧弯模型,为研究AIS疾病提供新途径。方法招募一名AIS患者,采集其CT和站立位X-ray影像数据。首先通过3D Slicer和Geomagic重建其脊柱-肋骨-骨盆几何模型。随后导入Hypermesh建立由六面体单元网格构成的椎间盘和小关节,获得软组织有限元模型。同时,在Opensim Creator上创建包含188条椎旁肌的患者个性化上肢肌骨多体模型。最后基于Java编程耦合两种模型,模拟AIS脊柱在屈伸、侧弯和轴向旋转时的力学响应。结果建立了AIS患者上肢肌骨多体模型和脊柱软组织有限元模型,实现了二者的双向耦合。耦合模型验证有效,且能够对AIS脊柱力学环境进行更加准确的仿真。结论本研究基于肌骨系统整体运动学,针对多柔体应力应变力学特征,开发了多体动力学-有限元双向耦合脊柱侧弯模型,二者优势互补,为AIS生物力学研究提供创新方法。

混合式空中加油系统多体动力学仿真分析

提出了一种将软式加油与硬式加油结合并利用收放索控制的混合式空中加油概念。对硬伸缩管、软管及锥套建立了系统动力学模型,利用CFD仿真与数值拟合的方法分析锥套所受气动力,对混合式空中加油系统进行了动力学仿真。通过数值模拟和阻尼辨识对比分析研究了软管、硬管参数变化对系统稳定性的影响;探究了抑制锥套摆动的控制律。结果表明:硬管的抗弯刚度、频率、弹性模量及软管的弹性模量变化时,系统阻尼均出现峰值,软管的密度变化与系统阻尼呈正相关;采用收放索的PID控制可以有效提高系统稳定性。

剪叉升降平台设计与多体动力学仿真分析

该文针对变电站检修工作环境设计一款液压驱动的剪叉升降平台,该平台为对称结构,工作平台为U型结构,可同时容纳2人进行检修工作。为通过虚拟样机技术对该升降平台进行结构分析与优化,首先在SolidWorks中建立该升降平台3D模型,并将其转化为Parasolid文件导入多体动力学仿真软件RecurDyn中,在RecurDyn中建立该升降平台动力学模型,进行动力学仿真求解,通过后处理分析获得液压缸推力曲线、剪叉臂及其连接轴受力状况,为后续结构优化提供参考。

基于多体动力学的汽轮机振动声辐射机理及传递路径

采用多体动力学方法进行汽轮机机械振动激励源精确分析,在激励源分析结果的基础上研究低频激励下的机组振动响应,并采用声传递向量(Acoustic Transfer Vector,ATV)方法研究汽轮机组表面与外场辐射的声压传递贡献量,从多体动力学的角度并结合流固耦合的方法综合分析汽轮机组振动噪声产生机理并研究噪声典型传递路径。研究结果表明,旋转激励源为汽轮机组的主要振动激励源,在低频段汽轮机组辐射模式为单极子,在中高频段汽轮机组辐射模式为偶极子。由噪声辐射的指向性极坐标图可知,在不同高度处噪声指向性相似,并都在长度方向上取得噪声声压级较大值,具有较强的指向性。计算方法对汽轮机组减振降噪研究具有一定的指导意义。

多体动力学建模车铣复合机床有限元分析

以QT200-MY车铣复合机床为研究对象,通过建立机床三维模型获取各结构部件的特征参数,得出单个结构部件的动力学方程,将机床所有子结构能量代入拉格朗日方程得到机床整机多体系统动力学理论方程,求解得到相关特性参数数值,通过有限元仿真证明理论模型的准确性,提升车铣复合机床的建模精度。

多体动力学在机械工程领域的应用

在科技社会的快速发展中,各领域积极开展优化和创新,结合新理念、新方法提升技术水平。机械工程作为工业发展的关键,多体动力学因其具有高科技含量的优势被广泛应用且取得了显著的成绩。机械工程领域中新型设备设计与产品研发均涉及多体动力学的专业知识,所以有关单位要提高重视程度,对其进行深入的研究。基于此,本文围绕多体动力学在机械工程领域的实际应用进行研究,从而明确未来发展方向。

混凝土泵车臂架柔性多体动力学建模与仿真

用柔性多体动力学的理论分析四节臂混凝土泵车臂架系统的动态特性。把泵车的臂架模拟成柔性机器臂,采用拉格朗日方程和虚功原理建立混凝土泵车臂架系统的柔性多体动力学方程,通过对泵车臂架运动微分方程的推导和数值求解,对泵车各臂杆的运动情况进行分析。结合动力学仿真分析软件,分别建立四节臂混凝土泵车臂架的刚性模型和柔性模型,给定相同的驱动力矩对两种不同情况下的运动模型进行分析。仿真得出两种模型的变形曲线和第四节臂杆的角速度曲线,对比仿真结果表明,在研究轻质长臂杆混凝土泵车的臂架系统时,考虑各个臂杆柔性变形的影响是非常必要的,同时,研究成果也为混凝土泵车浇注自动化的研究提供了数学模型。

汽车钢板弹簧多体动力学建模及动特性仿真研究

汽车悬架系统常用的弹性元件钢板弹簧,既是弹性元件,又是传递纵向、侧向地面作用力的传力元件,进行动力学建模时存在一定难度。文章从多体系统动力学的角度出发,建立了钢板弹簧的多体动力学模型,并应用机械系统动力学仿真软件ADAMS对其动特性进行了计算机仿真,仿真分析的结果与试验数据基本吻合。

船用齿轮箱多体动力学仿真及声振耦合分析

基于多体系统动力学理论,综合考虑齿轮副时变啮合刚度、齿侧间隙、轴承支撑刚度等内部激励以及螺旋桨外部激励,建立了含传动系统及结构系统的船用齿轮装置多刚体系统动力学模型,计算了齿轮副动态啮合力及轴承支反力;对齿轮箱及支座进行柔性化处理,形成多柔体系统动力学模型,采用模态叠加法计算了箱体表面的动态响应.而后以多体动力学分析所得的轴承支反力频域历程为边界条件,建立了箱体声振强耦合分析模型,预估了齿轮箱表面声压及外声场辐射噪声.结果表明,齿轮副动态啮合力、轴承支反力以及箱体动态响应频域曲线的峰值均出现在齿轮副的啮合频率及其倍频处;仿真所得的箱体振动加速度及外声场辐射噪声与齿轮箱振动噪声试验台架实测结果吻合良好.

基于多体动力学的混凝土泵车臂架的运动分析

基于多体动力学理论和拉格朗日方程建立了四节臂混凝土泵车臂架的刚性运动微分方程.通过对泵车臂架运动微分方程的推导和数值求解,对各臂杆的转角和末端轨迹进行了分析.采用动力学仿真软件对混凝土泵车的臂架建立了刚性仿真模型,选取与数值求解相同的参数进行仿真,对比仿真结果和数值求解得到的轨迹,两种方法的结果基本一致.证明了采用多体动力学方法建立的混凝土泵车臂架的运动方程,可以准确地描述泵车的各项动力学特性.

整车多体动力学模型的建立、验证及仿真分析

利用多体动力学方法建立了某轿车的整车非线性多体动力学模型,模型中考虑了前后悬架、转向系统的详细几何结构参数,以及连接处的橡胶衬套、阻尼器的非线性特性,轮胎采用M agic Formu la模型。对所建模型进行了多种试验验证,并分析了该样车的操纵稳定性等相关特性,仿真结果表明所建整车多体模型有较高的精度。

面向SUV车型操纵稳定性的多体动力学建模与仿真

运用ADAMS软件,建立了某SUV车型的整车多体动力学模型,对该车型的前悬架及整车分别进行了前轮定位参数及动力学仿真研究和整车操纵稳定性仿真分析。在构建前悬架系统模型时,应用BEAM梁原理建立了准确反映弹性变形的后悬架模型。研究了前悬架的前轮定位参数随车轮跳动变化的规律,根据开环模型操纵稳定性的3种评价方法在ADAMS中进行了操纵稳定性仿真试验。仿真计算与分析说明,建立的SUV前悬架和整车多体系统模型与实际车型在主要性能参数及其变化趋势上相符。仿真计算与分析结果得到了该车型生产厂家的认可。