基于改进弹簧-质点模型的柔性绳索仿真

针对虚拟吊装训练系统中柔性绳索模拟仿真时存在的实时性、逼真程度较差等问题,基于物理建模提出了一种蜂窝状弹簧-质点模型应用于绳索形变仿真.该模型依据绳索细长、柔韧等特点,将传统正方形弹簧质点网格改进为蜂窝状弹簧-质点模型,其由多簇六边形立柱状弹簧-质点包围而成,绳索各部分质量均匀分布,质点间设置4种弹簧模拟绳索内部弯曲、扭转、拉伸等形变特性;为加快求解速度同时保证精度要求,使用改进的Verlet-梯形预测-校正法对数值计算进行求解.仿真结果表明,文中模型是可行的;数值计算结果表明,Verlet-梯形预测-校正法在效率、精度方面均优于其他数值计算方法.

柔性绳索在空气阻力作用下的动力学仿真研究

柔性绳网的仿真研究是非线性仿真领域的难点之一。笔者基于有限元法,考虑空气阻力和重力的作用,研究了绳索单元力学模型,在ANSYS/LS-DYNA中采用Link167单元建立柔性绳索显式动力学分析模型,提出了运动状态参数提取、空气阻力值计算和通过载荷曲线迭代加载的方式模拟空气阻力作用的方法,实现了单根柔性绳索在空气阻力作用下的动力学仿真。仿真结果与实验结果有较高的一致性,证明了仿真方法的有效性。采用ANSYS参数化设计语言编制流程控制程序,提高了仿真的效率。该方法可以应用于柔性绳、网等织物在流场中的动力学仿真。

空间大型末端执行器柔性绳索捕获动力学研究

针对绳索式末端执行器缠绕及捕获卫星过程中的动力学问题,采用绝对节点坐标方法描述横观各向同性柔性绳索的缠绕运动,及卡尔丹角描述刚体卫星的姿态运动,并引入绳索与目标间的非线性动力学模型,建立包含末端执行器固定环和旋转环、绳索及被捕获卫星抓杆在内的刚柔耦合动力学模型。结合广义α法以及工程上常用的Scaling技术,利用Matlab开发了计算程序,实现动力学方程的高效精确数值求解。计算结果表明:此模型能较好地模拟柔性绳索缠绕及捕获卫星的过程,同时给出捕获过程中卫星姿态的变化及绳索的运动和受力情况,为实际工程中捕获机构的设计和试验提供一定的参考依据。

基于改进EKF的柔性绳索自动升降装置姿态估计

提出了一种柔性绳索自动升降装置姿态估计算法,使用姿态四元数表示柔性绳索自动升降装置的姿态,使用扩展卡尔曼滤波器融合磁传感器、角速率传感器和重力传感器的优点,保证了姿态估计的精度,避免了估计误差导致的自动升降装置侧翻等安全性问题。首先,选择陀螺仪的姿态四元数和漂移偏差来构建状态向量,并基于陀螺仪的运动学模型建立状态方程。其次,利用正交化方法从加速度计和磁力计的输出中获得单位姿态四元数,使磁场矢量垂直于测得的重力矢量,避免地磁干扰,用于EKF的测量。接着,使用EKF更新方程确定柔性绳索自动升降装置的姿态。最后,通过静态实验和动态实验证明了所提方法的有效性,静态偏差控制在0.2°之内,在保持平滑的前提下收敛速度也快于传统EKF算法。

基于STM32的柔性绳索自动升降装置电控系统设计

针对高压输电线路检修电力操作人员爬塔劳动强度大与物料传输效率低等问题,设计了一种基于STM32的柔性绳索便携式自动升降装置电控系统。系统硬件采用Cortex M4和Cortex M3双处理器架构,主要由电源管理模块、主控模块、传感器模块、存储模块、驱动模块和外部接口组成;软件采用有限状态机编程模式与三层嵌入式软件架构,保证了系统各任务的实时性与系统的可移植性。同时,系统提供了包含手动控制、无线通讯、电机控制和急停制动等模块的外部接口,不仅方便用户与升降装置之间的交互,而且提供了多种总线接口,方便系统扩展。经实验测试,该电控系统设计合理,载重量达到250 kg,升降速度达到24 m/min,大大提高了物料传输效率,降低了操作人员的劳动强度,具有一定的应用价值。

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。

船用柔性绳索的仿真研究

针对仿真系统中船用柔性绳索模拟存在实时性差、逼真度不够及易发散等问题,提出了一种基于质点-弹簧模型的结构-弯曲弹簧模型,该模型通过添加弯曲弹簧以限制绳子质点处的不正常弯曲现象,并可通过设置两种弹簧不同的弹性、阻尼系数以模拟不同硬度的绳索。为了保证模型运行稳定性及精度,采用改进的Euler法进行数值解算,同时运用位置调整法、速度调整法解决柔性绳索仿真时的超弹性问题,并通过仿真实验对该模型进行了验证。

船用柔性绳索收绞的过程仿真

针对航海领域相关仿真系统中尚未涉及绞缆机收绞缆绳的模拟过程,以及柔性绳索收绞时的碰撞检测会产生不稳定现象的问题,采用改进的结构-弯曲弹簧模型模拟柔性绳索并进行三维可视化,提出一种改进的圆柱螺旋线算法。通过预先计算出绳索每一个质点在卷筒上的位置坐标,并在收绞时为即将绞上卷筒的绳索质点位置赋值,调整质点间的朝向和旋转角度以避免出现不正常扭曲现象。通过使用卷筒收绞缆绳和锚链的仿真实验对算法的可靠性和通用性进行了验证。

柔性绳索建模试验

根据试验需求,构建了对柔性绳索进行横向碰撞冲击的虚拟试验场。虚拟试验场中包含柔性绳索、滑轮、撞击车、阻尼系统、刚体底盘等。试验过程是将柔性绳索两端分别固定在阻尼系统上,实现在碰撞冲击过程中对柔性绳索的缓冲作用,用两个定滑轮将柔性绳索分隔开,撞击车将以不同大小不同方向的初始速度对柔性绳索进行碰撞冲击试验。将柔性绳索划分为许多等长的圆柱体,圆柱体通过柔性梁连接,这样使得模型既保持了柔性绳索整体可弯曲、可缠绕的特性,又对柔性绳索分析进行了简化。

缠绕式提升机柔性绳索建模及运动仿真实现

针对现有矿井提升机柔性结构研究较少,不能较好地反映绳索缠绕卷筒及提升、下降运动过程的问题,对柔性绳索缠绕过程进行了建模及仿真实现。基于SolidWorks分别建立卷筒部分绳索与提升笼部分绳索的子模型,将两个子模型采用自上而下的方法结合形成整体的绳索模型,最后将绳索模型装配到基于Pro/E的机械传动模型中,完成整机模型并制作仿真动画。该研究成果可用于提升机建模与仿真的教学实践,加深学生对提升运动的认识与理解。

基于Kane方法的直升机-柔性绳索-吊挂系统动力学建模

完成了基于Kane方法的直升机-柔性绳索-吊挂系统的动力学建模.通过运动学描述,将系统分为直升机本体、吊挂绳索和吊挂载荷三部分.直升机本体为六自由度刚体;吊挂绳索模拟为集中质点模型,质点间用弹簧连接;吊挂载荷模拟为三自由度质点.考虑重力、气动力和弹性力的影响,建立直升机-吊挂系统的Kane动力学方程.针对直升机本体和考虑吊挂绳索柔性的直升机-柔性绳索-吊挂系统这两种模型,计算了它们在不同前飞速度下的配平状态,分析了其运动模态并进行对比.仿真结果表明:外吊挂引入后,直升机需要额外的总距操纵;考虑吊挂绳索柔性后,直升机长周期运动的收敛/发散速度变慢;Kane方法适用于直升机-柔性绳索-吊挂系统的动力学建模,方程整齐简洁,编程求解方便.

柔性结构养殖网箱的抗风浪性能试验报告

本文报道了以柔性绳索作为承受和传递波浪作用力的主结构的柔性养殖网箱的抗风浪 性能试验结果。在9914号特大台风的正面袭击下，这种网箱能基本保持完好，表明它具有十 分优越的抗风浪性能。通过对试验环境的初步分析表明，该网箱系统能抵抗住海面波高在4. 7米以下、波长在76.95米以内的台风浪袭击，可满足福建省大部分近海海面在十年一遇台风 重现期条件下的近海网箱抗风浪养殖的要求。

虚拟吊装绳索系统设计仿真

柔性绳索的仿真是虚拟吊装训练系统的仿真难点之一,针对柔性绳索仿真存在的实时性差、逼真度不高等问题,建立了基于弹簧-质点模型的虚拟吊装训练系统中吊臂-绳索-重物的动力学模型。将绳索离散为集中质点模型,质点间通过无质量弹簧连接。通过Kane方法建立其动力学方程,并对其运动过程进行动态仿真。仿真结果表明,上述动力学模型能有效地对柔性绳索动态过程进行仿真,增大对柔性绳索仿真的逼真度和实时性,提高了仿真效率。对提高虚拟系统的真实性和训练效果具有很大的帮助。

柔性驱动实验教学系统设计及开发

柔性驱动系统由电机、绳索、伺服控制器等构成,采用光栅尺、编码器以及拉压力传感器测量数据,并通过开发的实验软件对数据进行采集。该实验平台涉及设计、控制、测试等多个学科,为学生应用测试技术、分析电机绳索系统创造了实验条件,能够培养学生解决复杂工程问题和实践的能力。

矿山巷道架空柔性索道运输滑车的研制与应用

矿山巷道架空柔性索道运输滑车,改变了传统的人力运输(即人背、扛或抬)的重体力运输方式,是一种新型的现代化矿山井下辅助运输设备,主要应用于矿山井下长距离及不便于铺设轨道的巷道。其主要由固定器、柔性绳索、托绳装置、托物器、滑车等部件组成,是通过将所运输物料置于托物器及滑车上,依靠人推手扶的外力并借助于滑车在柔性绳索上的滑移而实现运输物体的目的。

考虑驱动索柔性的网状天线展开动力学分析

为综合考虑铰链摩擦、索网张力及驱动绳索柔性对环形桁架式网状可展开天线展开过程的影响,建立了包含驱动绳索-滑轮的环形桁架天线系统动力学模型。采用基于位置控制的展开策略对天线的展开过程进行运动规划,实现展开角加速度的峰值最小化,并获取驱动绳索的最优输入轨迹;采用Bushing力法建立驱动绳索的动力学模型,并将索网张力等效为作用在桁架铰链上的时变外载荷,进而得到天线整体系统的动力学模型。仿真案例结果表明,驱动绳索的柔性、展开时间等参数会对展开过程中的展开角加速度和驱动索力产生显著影响,可为实际工程中环形桁架天线的展开过程控制提供参考。

空间飞网捕获过程动力学研究

采用绝对节点坐标法建立了柔性飞网的物理模型,基于弧长积分计算索单元的轴向应变。通过对自由悬挂下落的网体进行仿真,验证了模型的稳定性,对空间飞网捕获太空目标的过程进行数值仿真,分析了网体捕获过程的动力学特性。通过研究发现,对于大规模柔性绳网动力学分析,未来应注重高效率算法开发和计算过程数据存储两方面的研究。

内装式空中发射运载火箭的动力学模型（英文）

针对类似于内装式空中发射多体系统及重装空投系统的变拓扑结构刚-柔耦合多体系统,为建立形式统一的动力学模型,并避免单一建模方法的冗余建模过程,提出基于等效刚化的建模方法。在建模过程中,截断在系统工作过程中拓扑结构发生变化的铰。包含柔性体的子系统采用等效刚化的建模方法,其他子系统可根据需要选择合适的建模方法。在计算过程中,根据约束力计算算法及矢量力学理论可将约束力与状态方程独立求解。以内装式空中发射系统的动力学模型建立为例子,验证了基于等效刚化的建模方法的有效性和正确性,并分阶段建立了空中发射系统的动力学模型。与其他建模方法相比,上述理论得到的动力学模型在不同阶段具有统一的形式,建模过程简单且程序化。等效刚化的建模方法及其相关理论可应用于类似的刚-柔耦合多体系统。

中国兵器家首席科学家曹贺全:“盾”与“矛”的较量——浅谈装甲防护技术

2018年11月4日,在CCTV-1综合频道播放的《加油!向未来》节目中,一辆猛士装甲车霸气出场,引起了现场观众的拍手惊呼。猛士外挂的装甲看上去像是家里院子的栅栏,实际却是由带特种结构的金属和柔性绳索组成的一个网状防护机构,称为"柔性格栅装甲"。

基于线性互补理论的可展开索-桁架结构静力学分析

空间可展开索-桁架结构具有折展比大、重量轻、刚度高的优点,广泛应用于天线、太空望远镜、太阳翼等大型航天器关键部件中。在统一框架内进行了梁单元和索单元的刚度矩阵集成,建立了包含柔性绳索和杆件的可展开索-桁架结构刚度模型。基于线性互补理论,提出了一种反应绳索真实张紧、松弛状态的结构受力变形计算方法,得到了准确的结构受力与节点位移的映射关系。最后以剪叉机构单元和圆柱面可展开结构为例,验证了所提出方法的有效性,并分析了绳索分布对结构变形的影响。该分析方法可扩展应用于各类索-桁架结构的受力变形计算。