悬挂撤离状态井下管柱纵横向耦合动力学特性分析

建立悬挂撤离状态井下管柱纵、横向耦合动力学数值分析模型,同时考虑平台横向撤离以及纵向升沉运动,给出软、硬悬挂边界条件。采用有限单元法进行离散,结合Newmark-β法求解动力学方程,并通过实验验证数值模型的正确性。针对南中国海深水井,分析了悬挂状态的井下管柱纵、横向耦合动力学特性,研究结果表明:纵、横向耦合条件下,井下管柱悬挂撤离时在横向呈现出波浪状位移形态,纵向呈现周期性振动;硬悬挂与软悬挂状态下最大横向位移和纵向位移都出现在管柱最底端;硬悬挂状态下管柱顶端位移较小、弯矩出现极大值;软悬挂状态下管柱顶端位移急剧增加,弯矩在水面附近出现极大值;悬挂撤离状态下管柱纵向位移包络线范围从顶部向底端逐渐增大,而轴向张力包络线范围从底部向顶部逐渐增大;另外,硬悬挂状态下管柱在顶端附近出现轴向压缩,存在发生屈曲失效的风险。

车辆弯道变速行驶时的纵横向耦合控制研究

车辆弯道变速行驶时,纵横向运动存在强烈的动力学耦合效应,通过纵向和横向单独控制很难取得比较理想的控制效果。为了实现复杂工况下车辆自动跟踪控制,建立了纵横向耦合车辆模型,主要包括整车模型、传动系统模型和轮胎模型,根据滑模控制以及动态表面控制理论,研究了车辆在弯道变速行驶工况的动力学耦合控制问题,提出了一种基于滑模和动态表面控制的纵横向耦合组合控制器,仿真结果表明该耦合控制器具有较强的鲁棒性,其纵横向跟踪性能优于无耦合补偿的控制器。

考虑纵横耦合变形的土工格室加筋体变形分析

针对土工格室加筋体的受力变形特点,将其视为小挠度弹性圆薄板,考虑土工格室与桩土加固区的变形协调、土工格室垫层耦合的水平与竖直变形以及上下界面的摩阻效应,建立此轴对称条件下薄板的挠曲变形控制微分方程,利用Bessel复变函数构造竖向及水平位移解析表达式,从而得出双向增强复合地基网下桩土应力比、沉降及桩土差异沉降的计算公式.采用某工程试验结果对该计算方法进行了验证,证明本文计算方法的合理性.参数分析表明:在一定范围内改变加筋体的复合弹性模量、桩土刚度比、上下界面摩阻系数比等因素可以起到调节双向增强复合地基网下桩土应力比和降低格室体沉降的作用.

船舶推进轴系纵横耦合非线性动力学分析-叶频激励下横向主共振响应

在考虑Von Karman非线性位移—应变关系下,基于Hamilton变分原理建立了船舶推进轴系纵横耦合非线性动力学方程。利用Galerkin方法,导出系统第一阶模态振动微分方程,采用多尺度法求解该方程。获得了叶频激励下横向主共振响应方程组,利用伪弧长延拓法数值求解了该方程组的平衡解并分析了其稳定性。探讨了支承刚度、激励载荷、螺旋桨质量、阻尼比以及细长比对轴系纵横耦合效应的影响。研究表明:细长比越小,激励载荷越大,阻尼比越小,系统纵横耦合效应越强;增加后艉轴承刚度可以抑制纵横耦合效应,增加前艉轴承以及推力轴承刚度则增强纵横耦合效应,而中间轴承对其没有明显影响;与线性模型相比,纵横耦合效应使轴系横向共振时的频率大于其线性固有频率,在某些激励频率处,幅频响应曲线上存在多解使幅值出现跳跃现象。分析结果对船舶推进轴系的设计有指导意义。

主共振与内共振下纵横耦合轴系动力学分析

考虑Von Karman非线性位移-应变关系,利用Hamilton原理建立了轴系纵横耦合下的动力学模型。利用Galerkin法对偏微分方程进行离散,采用多尺度法求解了离散方程。研究了纵向主共振并伴随内共振(由纵向第一阶固有频率近似等于横向第一阶正进动与反进动频率之和而产生)联合激励时轴系的动力学响应。研究表明随着系统参数以及激励载荷的不同,轴系出现不同的动力学特性。当激励载荷小于一临界值时,纵向激励力只能激起纵向振动,系统响应与线性系统一样;当载荷超过临界值时,纵向激励力同时激起了轴系的横向正进动与反进动频率,此时纵向振动出现能量饱和现象,能量从纵向渗透到横向。能量在正反进动模态间的分配与其正反进动频率成反比,从而使反进动幅值大于正进动幅值。同时响应中也出现跳跃现象。数值分析结果与摄动分析结果一致。

桥上无缝交叉渡线纵横向耦合模型

在城市轨道交通建设中,由于地形条件和环保要求的限制,出现道岔(渡线)全部或部分设置在桥上的情况,既有的无缝道岔计算方法难以解决桥上无缝道岔(渡线)桥梁与相互作用的问题。为此,采用有限元方法,以60kg/m钢轨、12号固定辙叉、4.0m间距无碴轨道交叉渡线为例,建立桥上无缝交叉渡线纵横向耦合的计算模型,为建模计算提供一种新的思路和方法;结合工程实例,对桥上无缝交叉渡线的力学特性进行计算分析,并对今后桥上无缝交叉渡线的设计提出建议。

利用有限元法与打靶法的纵横耦合轴系主共振分析

在考虑Von Karman非线性位移-应变关系下,利用Hamilton原理与有限元方法建立了轴系纵横耦合非线性动力学模型,推导了其非线性刚度矩阵。结合打靶法研究了轴系在外激励下的横向主共振响应及其稳定性。探讨了激励载荷、阻尼比以及细长比对轴系纵横耦合效应的影响。研究表明:纵横耦合效应呈"硬弹簧"特性,使幅频响应曲线向右倾斜;在某些激励频率处,幅频响应曲线上存在多个稳定解,从而使幅值出现跳跃现象;激励载荷越大,阻尼比越小,细长比越小,系统纵横耦合效应越强;增加阻尼比可以有效抑制纵横耦合非线性效应,提高轴系的稳定性。分析结果对轴系的设计有指导意义。

相邻扶正器间抽油杆柱纵横耦合振动特性仿真

作为杆管防偏磨设计的主要措施,扶正器配置方案的优化设计一直是油田关注的重点,而对抽油杆柱振动力学的研究是杆管防偏磨设计的基础。鉴于此,将两相邻扶正器之间抽油杆柱纵横耦合振动问题简化为具有初弯曲的简支梁在交变轴向载荷激励下的纵横耦合振动问题。在交变轴向载荷激励下,基于纵横弯曲梁理论,建立了两相邻扶正器之间抽油杆柱纵横耦合振动仿真的力学与数学模型。采用空间离散——时间连续与数值积分相结合的方法进行数值求解,实现了两相邻扶正器之间抽油杆柱纵横耦合振动的仿真模拟。仿真分析结果表明:相对于静力学模型仿真结果,动力学模型仿真结果的杆柱横向变形更大;杆柱的轴向载荷激励与杆柱的初弯曲是影响杆柱横向位移动力放大系数的主要原因。研究结果可为油井的杆管防偏磨设计提供思路。

非惯性参考系中弹性薄板纵横振动相互耦合时的内共振分析

本文研究了非惯性参考系中弹性薄板的大范围运动与大变形运动相互耦合时的内共振。在建立了该动力系统运动控制方程的基础上，利用多尺度法得到了非惯性参考系中弹性薄板纵横振动强相互耦合和弱相互耦合时产生内共振固有频率所需满足的条件，讨论了弱相互耦合时横向振动产生分岔导致失稳的条件；用数值仿真模拟了系统包括了横向和纵向转动角速度两个分岔参数的空间分岔集，讨论了该动力系统的稳定性，并得到了它的分叉响应曲线。

非线性纵横波耦合问题半离散有限元法的误差估计

研究了一类纵横波耦合方程的半离散有限元方法的数值逼近,通过椭圆投影算子,运用泛函分析和Sobolev空间的逼近理论,得到了非线性纵横波耦合方程组半离散有限元解的误差估计,并给出了椭圆投影算子的界定常数.

大纵横倾耦合状态下舰船稳性算法研究

分析传统稳性算法的原理及缺陷,针对舰船航行状态复杂、稳性计算精度要求高的特点,提出一种适合大纵横倾耦合状态下的舰船稳性算法,通过建立并求解平衡方程的方法得到准确的稳性数据。

低附着工况自动驾驶汽车纵横向耦合控制

为提高低附着工况下自动驾驶电动汽车的运动性能,设计了一种车辆串级纵横向耦合控制策略。建立车辆动力学模型,设计了纵向和横向前级控制器,以保证能够跟随规划层的目标行驶路径。设计了后级稳定控制器;计算横摆角速度,补偿横摆力矩。利用Carsim和Simulink软件进行联合仿真,验证不同附着系数下车辆的跟随精度和稳定性。结果表明:横摆角速度、质心侧偏角、轨迹跟随精度的最大误差较非耦合控制前分别减小了约38.6%、45.83%、5.58%;设计的纵横向耦合控制器能够有效改善低附着工况下自动驾驶车辆的跟随精度和稳定性。

深海采矿水力提升管多场多尺度耦合非线性振动特性

针对深海水力采矿提升硬管流致振动失效问题,采用有限元法、Hamilton变分和虚功原理,建立了多场多尺度耦合作用下深海水力采矿提升硬管非线性振动模型,采用尾流振子模型模拟外部流体对大长径比提升硬管的非线性流体力,考虑了自身纵-横向耦合效应、外部海洋涡激效应以及内流流致振动效应。通过理论计算结果与模拟试验测量数据对比,验证了模型的有效性。研究表明,提升硬管在考虑纵横向耦合、涡激振动和大变形等非线性因素下,提升硬管的振动具有高度非线性特征。随着中间仓质量的增加,提升硬管的顺流向偏移量和均方根应力减小,横流向振动频带分布更广,其顶端受到的轴力更大。小周期、大幅值的波浪对提升硬管的振动、应力和顶端轴力影响颇为明显。

梁纵向与横向耦合非线性振动分析

纵向振动和横向振动耦合是捆绑火箭等结构中的典型振动现象.以Rayleigh梁为研究对象,通过Hamilton变分原理推导了考虑应变二次项的纵向振动与横向振动耦合控制方程,并用有限元方法对该非线性系统的行为进行了模拟.针对线性系统固有振动频率和非线性纵横耦合动态响应情况,把所得结果与NASTRAN结果进行了比较,二者结果吻合,证明了本方法的正确性.在此基础上,借助振动控制方程和模拟结果,讨论了非线性系统频率与模态的时变特性,非线性动态响应频率成分特性,横向振动和纵向振动相互影响以及共振现象等.研究结果为本方法的实际应用提供了理论基础.

视觉预瞄式智能车辆纵横向协同控制研究

针对智能车辆路径跟踪控制的高度非线性及纵横向运动控制的耦合性问题,结合视觉预瞄模型及模型预测控制理论提出了一种预瞄式MPC路径跟踪控制新方法。该方法首先对非线性预测模型进行局部线性化,将MPC最优化求解问题转化为二次规划问题。在每个控制时域内将纵向车速及预瞄距离视为已知,运用指数模型对纵向车速进行描述,并结合道路曲率及实际车速设计了预瞄距离发生器。仿真和试验结果表明:相较于传统MPC跟踪控制方法,本文中提出的预瞄式MPC控制方法在不同车速下均能减小跟踪过程中的横向偏差和方向偏差,提高了跟踪精度,且此提升效果在高速状态下更为明显。

TTI介质声波方程分裂式PML吸收边界条件研究

针对倾斜横向各向同性(TTI)介质声波波动方程的特点,研究了TTI介质分裂式完全匹配层(Split perfectly matched layer,SPML)吸收边界条件。首先对常见的几种TTI介质声波波动方程进行了归纳,并从TTI介质波场传播稳定性的角度进行对比分析,结果表明,引入横波分量的TTI介质纵横波耦合方程适用于TTI介质。然后从TTI介质纵横波耦合二阶波动方程出发,推导得到其一阶波动方程的形式,进而推导出一阶波动方程形式的SPML波动方程,并给出了高阶交错网格有限差分算法的具体实现过程。数值模拟结果表明,SPML吸收边界条件能达到很好的人工边界反射吸收效果,相比优化海绵吸收边界条件,其人工边界反射吸收效果更好。

考虑底面摩阻效应的弹性地基梁微分算子级数法

假定地基为具有切向和法向反力的弹性支承体,考虑弹性地基梁的纵横向耦合变形,根据弹性力学基本原理,从梁体微段分析出发,结合小变形条件下梁体几何方程和线弹性本构关系,导得考虑摩阻效应时关于法向位移和切向位移的微分方程组:在此基础上利用微分算子级数法对微分方程组进行求解,得到考虑纵横向耦合变形和底面摩阻效应时地基梁法向挠度和切向相对位移计算公式。最后对一个地基梁实例进行了计算分析,并对摩阻效应进行了讨论。结果表明,微分算子级数法解答能有效地考虑地基梁纵横向耦合变形特征和底面摩阻效应。

复式交分道岔力学特性及无缝化研究

利用商业有限元软件,建立有砟轨道复式交分道岔的纵横垂向空间耦合有限元模型,根据东北地区某车站的轨温变化条件及道岔无缝化改造方案,对复式交分道岔无缝化后的主要力学特性与尖轨横向变形进行了计算分析.结果表明:在温度荷载作用下,道岔基本轨承受一定附加力作用,钢轨最大温度力出现在尖轨跟端的基本轨处;尖轨尖端纵向位移最大,基本轨纵向变形很小;基本轨与尖轨之间的轨距、轨向变化量最大值均位于尖轨尖端,密贴变化量最大值位于两牵引点之间;当岔外线路采用U75V钢轨时,复式交分道岔无缝化改造可行.

智能汽车纵横向整体反馈线性化控制

针对智能汽车纵横向耦合非线性导致的控制系统模型复杂度高以及轮胎侧偏刚度不确定性影响控制效果的问题,提出了一种基于轮胎侧偏刚度估计的纵横向整体反馈线性化控制方法。首先,建立智能汽车纵横向耦合动力学模型和轨迹跟踪偏差模型;其次,对车辆模型的线性化条件进行了判定,利用李雅普诺夫稳定性分析方法设计了可以保证系统稳定和跟踪误差渐近收敛的虚拟控制律;然后,对轮胎侧偏刚度进行了实时估计;最后,通过基于CarSim/Simulink的高速紧急双移线仿真实验,验证了本文提出的方法可使智能汽车在纵横向耦合工况行驶时具有良好的轨迹跟踪性能和稳定性。

螺旋桨式运输机纵横耦合原因分析与解耦控制

螺旋桨式运输机由于螺旋桨带来的陀螺力矩等原因,有时会出现纵横耦合现象。对某型飞机进行理论建模,经过分析比较发现,侧滑角是引起纵横耦合的主要因素,陀螺力矩的影响相对较小,且侧滑角的影响在不同速度和左右侧滑下表现不同,并基于风洞试验数据进一步仿真验证了理论分析结果。采用模型跟踪控制方法使得被控对象跟踪略去耦合因素后的目标模型,实现了横航向操纵不再引起俯仰,同时其他状态变化保持一致。最后通过仿真验证了模型跟踪的有效性。