一种新开发的ANCF缆索单元

为精确模拟系浮系统中系留缆索的动力学行为,应用绝对节点坐标公式(absolute nodal coordinate formulation,ANCF),开发一种新的ANCF缆索单元。该单元考虑了缆索的层级数目、各层材料的力学性能,并通过子域划分来更好地适应材料的层间差异。其中,利用Kelvin-Voigt模型来解释内芯层的黏弹性性质,而将改进后的Yeoh模型应用于护套层当中以更好地契合材料的超弹性性能。此外,设计一种具有隐式效果的差分格式对动力学微分方程组进行数值求解。最后,通过一系列静力学与动力学数值计算证明单元的精度与收敛特性,并对比几种应用不同超弹性模型的ANCF单元,证实应用改进的Yeoh模型的ANCF单元的合理性与优越性。

基于ANCF的挠性太阳翼动力学建模及模态辨识研究

可展薄膜结构平面太阳翼由于极具纤薄和轻柔的特性,导致其动力学性能参数显得相当复杂.为全面、准确地明晰大挠性太阳翼动力学特征对新型百公斤级低轨卫星姿态控制性能的影响,采用ANCF(absolute node coordinate formulation)索梁模型和ANCF薄膜单元构建主要挠性附件,基于索梁预应力建立大型空间可展结构的动力学模型.通过建立的动力学模型,综合考虑太阳光压力、气动阻力、重力梯度力矩和地磁力矩在内的复杂空间环境干扰,采用复模态指示函数(complex mode indication function,CMIF)进行薄膜结构平面太阳翼模态参数在轨辨识的研究.辨识结果与仿真分析结果的对比表明,CMIF方法能够有效地识别可展薄膜结构平面太阳翼的低阶固有模态,为该技术的工程实施提供了坚实的理论研究基础.

基于ANCF的旋转超弹性厚壁REF振动特性分析

为了探究子午线轮胎面内振动特性,建立了旋转超弹性厚壁REF模型。并在具有随动坐标系的绝对节点坐标法(absolute nodal coordinate formulation,ANCF)框架下,提出平面内旋转环扇单元,对旋转超弹性厚壁弹性基环模型(ring on the elastic foundation,REF)进行离散。考虑到非线性本构关系和旋转运动中的广义惯性力,建立了该模型的非线性运动微分方程以及线性化运动微分方程。通过与现有文献中的试验结果进行对比,验证了上述模型的有效性,并分析了弹性基参数、环体厚度和旋转角速度对子午线轮胎固有特性的影响规律。

基于变长度单元ANCF的轴向伸展悬臂梁振动分析

伸展悬臂梁系统中含有刚体运动和大变形运动,属于时变刚柔耦合非线性动力学问题。采用Shabana提出的绝对节点坐标法(ANCF),建立了一种变长度的Euler-Bernoulli梁单元模型。从大变形条件下准确的曲率和Green-Lagrangian正应变出发,基于考虑惯性力的虚功原理,得到了轴向伸展悬臂梁的单元非线性动力学方程组,以及组装后的伸展悬臂梁系统的非线性动力学方程组。最后,通过算例分析了材料特性参数(弹性模量、密度)和伸展规律(匀速伸展、匀加速伸展)对伸展悬臂梁系统的末端非线性挠度响应的影响。

ANCF方法在小变形问题中的应用研究

绝对节点坐标法(Absolute Nodal Coordinate Formulation,ANCF)具有不存在小变形、小转动假设,质量矩阵为常数矩阵等优点,但由于弯曲应变与轴向应变不一致,带来剪切闭锁问题.本文基于小变形假设,利用ANCF方法得到两节点梁的刚度矩阵,进而将该方法推广到多节点梁,解得多节点梁的刚度矩阵.利用Maple软件编制求解程序,求解矩形截面梁在无约束条件下的固有频率及外伸梁的末端静挠度.通过与ABAQUS仿真结果及解析解对比发现:当梁上节点数较少时,用ANCF方法得到的结果相较于仿真结果、解析解较为"刚硬","剪切闭锁"现象较为严重.随着节点数的增加,ANCF方法得到的计算结果与仿真结果、解析解趋于一致.当梁上节点数增加到31时,对于自由模态的前4阶固有频率,ANCF方法的求解结果与解析解之间的误差均小于3‰;对端部带有集中质量的外伸梁的末端静挠度,ANCF方法的求解结果与解析解之间的误差均小于0.5‰,剪切闭锁问题得到有效解决.

基于ANCF的薄膜太阳帆自旋展开动力学模拟

执行深空探测任务的薄膜太阳帆在入轨展开过程中,其薄膜结构在宏观力学响应上表现出显著的拉压不对称特性。系统的动力学行为呈现出强烈的非线性特征,使其动力学建模与仿真计算面对巨大挑战。基于绝对节点坐标方法(Absolute Nodal Coordinate Formulation,ANCF),整合张力场和不同模量弹性理论,推导了单元精确的切线刚度矩阵,提出了一种考虑不同模量的ANCF薄膜单元计算方法。在此基础上,采用第一类拉格朗日方程对薄膜太阳帆进行动力学建模,并通过可控数值耗散的广义-α算法求解动力学方程,分析了太阳帆不同结构设计参数对其展开动力学特性的影响。仿真结果验证了该方法在处理空间薄膜问题时的算法稳定性和高效性,对大型帆膜结构的系统设计有理论指导意义。

基于绝对节点坐标法薄板结构振动特性分析

为研究柔性结构大变形问题,采用绝对节点坐标法(absolute nodal coordinate formulation,ANCF)对大变形柔性体结构进行建模。该方法由变形梯度和格林-拉格朗日应变来描述结构的运动以及变形,通过斜率矢量替代传统有限元法中的广义节点坐标,可直接用于解决结构中较复杂的大位移、大转动和大变形问题。根据绝对节点坐标法原理,研究薄板单元以及全参数板单元的振动特性,利用连续介质力学推导出单元的广义弹性力矩阵和切线刚度矩阵,由此建立板单元的动力学方程。利用MATLAB软件分别对薄板单元和全参数板单元进行自由模态分析,并将其仿真结果与ANSYS结果进行比较,同时通过牛顿迭代法验证2种板单元的收敛性。结果表明,消除厚度振荡影响的降阶薄板单元比全参数板单元有更好的精度和收敛特性,在针对模态分析的结构上,通过固有频率对比数据得出误差基本一致,从而单元的正确性得到验证,为后续研究和应用提供理论基础。

L形输流管道三维振动固有特性研究

输流管道在众多工程领域中发挥着输送介质的作用,其振动特性是动力学研究者关注的热点.鉴于管道形状的多样性,构建复杂构型管道的动力学模型显得尤为重要.采用绝对节点坐标法(absolute nodal coordinate formulation, ANCF)建立三维管道动力学模型,并以两端弹性支撑的L形管为例进行分析.基于广义扩展拉格朗日方程得到系统动力学方程,借助ANSYS软件对模态结果进行比较验证,并分析竖直和扭转弹簧刚度、流速、结构参数以及充液率对管道固有频率的影响规律.结果表明,增加竖直刚度和扭转弹簧刚度均会提高管道的固有频率,且竖直弹簧刚度的影响较大,低阶频率的曲线拐点早于高阶频率.增加壁厚、增大管径以及缩短管长都能显著提高管道的固有频率和临界流速.充液率的变化不会显著影响低流速时管道的固有频率,但会明显改变临界流速.研究结果可为复杂结构管道流激振动研究提供一个可靠的三维动力学模型.

基于ANCF的松弛绳索动力学建模与仿真

传统绝对节点坐标方法(ANCF)绳索模型是基于梁单元建立的,其不能反映纤维绳索的不可抗压和松弛特性。考虑纤维绳索初始松弛余量,给出了绳索非线性轴向应力-应变关系。绳索在松弛状态下轴向力接近于零,在张紧状态下表现出线弹性特性。在此基础上,采用绝对节点坐标方法推导了松弛绳索动力学模型。通过静力学和动力学仿真,将传统绳索模型和松弛绳索模型进行对比,结果表明:在重力及不同集中载荷作用下,松弛绳索相比于传统绳索都具有更大的变形;分析移除集中载荷后绳索的动力学响应可知,传统绳索在振动过程中始终处于张紧状态,且绳索上各点振动同步,而松弛绳索会在张紧和松弛状态之间不断转换,绳索上各点的振动存在相位差,能够更好地反映绳索在松弛状态下的动力学特性。

基于绝对节点坐标法的复杂构型输流管道简支支承设计研究

输流管道广泛应用于海洋、核电、航空航天等重大工程领域,因管道与流体间的耦合效应,在流体作用下管道会出现屈曲、颤振等失稳行为.一般而言,边界支承对管道动力学特征有着重要影响,不同支承位置显著影响管道的稳定性与振动特性.当前关于管道流固耦合动力学的研究大多集中于单一的直管或规则型弯管(如弧型、半圆型和正弦型等),对于实际工程中常见的复杂构型管道,比如L型、S型和U型等,研究还较为少见.文章基于绝对节点坐标法(absolute node coordinate formulation, ANCF)建立了具有普适性的非线性振动理论模型,可用于解决任意构型和任意支承边界下输流管道动力学问题.以L型、S型和U型3种典型构型输流管道为研究对象,首先开展了收敛性分析,找出合适的计算单元数.然后借助CFD仿真结果与理论模型进行对比验证,计算结果表明,相较于有限元方法,基于绝对节点坐标法建立的理论模型在预测复杂构型输流管道的非线性变形时,具有更高的计算效率.基于该理论模型,研究了简支支承位置对3种构型输流管道的固有频率、屈曲位移和应变特征的影响规律.研究发现,存在最优简支支承位置使得输流管道基频达到最大、屈曲位移和应变的极值达到最小.本研究为提高工程中管道的稳定性与使用寿命提供了理论依据与设计指导.

气动齿状软体驱动器动力学建模与仿真分析

针对发生面内弯曲、超弹性材料气动齿状软体驱动器,从非线性本构关系出发,考虑几何非线性,基于绝对节点坐标法(absolute nodal coordinate formulation,ANCF)建立二维多梁结构的动力学模型。考虑多点接触,采用罚函数法对相邻气腔之间的软接触问题建模,避免相邻气腔之间的互相穿透,并能准确模拟相邻气腔从不接触到充分接触的变拓扑过程;相比于ANCF实体单元模型,二维梁模型计算规模小,更加高效。通过气动弯曲试验和ABAQUS仿真,验证理论模型的计算精度;在此基础上研究重力对软体驱动器构型的影响,分析充气速率和最终加载气压值对其动力学响应的影响。

基于模态自适应的大变形多体系统动力学分析

柔性大变形系统在进行模态降阶时,若模态选取不当,会影响求解精度甚至导致求解结果发散.对此,提出了基于绝对节点坐标法(ANCF)的柔性大变形系统模态自适应选择方法.通过ANCF梁单元建立系统的动力学模型;利用全模态稀疏表示内部区域的坐标;根据Latin超立方抽样构建采样矩阵,作用于动力学方程,以减少方程的数量;以采样后的动力学方程作为约束,构造模态坐标范数优化问题;求解优化问题可以得到具有重大贡献的模态.通过两个实例表明:数值计算结果与常用方法的结果高度吻合并且求解效率显著提升.

基于动态刚度模型的聚酯缆力学性能研究

采用聚酯缆作为系泊材料的张紧式系泊形式,克服了锚链自重大的缺点,为浮体提供了更好的系泊性能,在深水系泊领域备受关注。聚酯缆的非线性力学性能明显,其非线性本构关系使得该材料的张力响应预测难度增大。因此,精确模拟该关系具有重要意义。本文基于绝对节点坐标法,在轴向大拉伸的情况下,结合8股编织结构的聚酯缆的动态刚度模型,开展聚酯缆张力响应精确计算与分析,并与近似算法对比。研究结果表明,采用精确算法得到的聚酯缆轴向张力高于近似算法,聚酯缆的非线性本构关系使其“越拉越刚”,近似计算可能会使得张力预测失真。因此,在计算使用聚酯缆材料的系泊系统的张力响应时,采用精确的动态刚度计算模型是十分必要的。

基于绝对节点坐标法的变截面拱面外弯扭振动分析

基于绝对节点坐标法(absolute nodal coordinate formulation,ANCF)研究了均质变截面Euler-Bernoulli拱的面外弯扭振动的振动特性。建立了考虑面外弯曲和扭转的均质的振动模型,在总体惯性坐标系下,将它划分为若干个变截面拱单元,给出单元的动能、应变能以及外力势能的表达式,得到了单元质量矩阵和刚度矩阵,进而获得了拱的总体的质量矩阵和刚度矩阵。应用Lagrange方程建立了拱的弯扭振动微分方程。数值计算了两端固定的等截面圆弧拱和变截面圆弧拱的前三阶频率,画出了相应的振型图,分析了变截面圆弧拱的中心角、半径、高宽比以及均布径向载荷对其振动特性的影响规律;数值计算了两端固定的等截面和变截面抛物线型非圆弧拱的前三阶频率,画出了相应的振型图。

柔性倒立摆系统建模与控制效果

基于绝对节点坐标法(ANCF)建立了柔性倒立摆的动力学模型,并嵌入刚体假设条件下建立的经典倒立摆控制系统,以考察倒立摆柔性对控制系统的影响。实验与仿真的对比结果验证了该建模方法的可靠性。仿真结果表明:在倒立摆杨氏模量较大的情况下,控制系统对柔性体和刚体模型的作用效果基本一致;随着杨氏模量的减小,柔性倒立摆在控制系统作用下稳定振动直至失稳并跌落。

柔性多体系统中间隙铰接副的磨损预测

通过集成磨损计算与柔性多体动力学,对柔性系统中间隙铰接副部位的磨损进行了预测.基于绝对节点坐标方法(ANCF)建立了柔性部件的多体动力学模型,引入连续接触力模型计算间隙铰接副部分的接触力,并采用Archard磨损模型的迭代磨损计算程序预测磨损.为了得到在不同接触情况下的磨损系数,本文中采用了径向基神经网络处理试验数据.通过对含柔性连杆的曲柄滑块机构进行仿真计算,发现当考虑部件的柔性时,得到的间隙处的冲击力大幅降低,且预测的磨损量也略有降低,这种区别会随着仿真时间的增加而变得更加明显.

柔性对多体系统中铰接副磨损的影响

通过集成柔性多体动力学与磨损计算程序,提出了一种用于对柔性多体系统中间隙铰接副部位的磨损进行了预测的方法.基于绝对节点坐标方法(ANCF)建立了柔性部件的多体动力学模型,引入Lankanrani和Nikravesh提出的连续接触力模型计算间隙铰接副部分的法向接触力,采用Lu Gre摩擦模型计算切向摩擦力,并利用基于Archard模型的迭代计算程序计算磨损.为了提高计算效率,引入了并行计算策略.最后,通过对一个含柔性连杆的曲柄滑块机构机构进行仿真计算,发现当考虑部件的柔性时,得到的间隙处的冲击力会大幅降低,预测的磨损量也随之降低,并且随着机构柔性的增强,这种效果更为明显.

基于多项式混沌方法的柔性多体系统不确定性分析

研究了柔性多体系统的参数不确定性问题。采用绝对节点坐标方法来描述柔性体的变形,运用多项式混沌方法对柔性多体系统进行不确定性分析。通过理论分析与算例研究,对比了多项式混沌方法与广泛使用的Monte Carlo方法的精度和效率。结果表明,在相同精度要求下,多项式混沌方法在复杂柔性多体系统不确定性分析中效率更高,在工程分析中更具实用价值。

基于拉格朗日描述的罐车内液体晃动模拟

基于拉格朗日描述的柔性多体系统动力学理论,采用绝对节点坐标有限元方法描述液体大变形运动,开展铁路液罐车内液体晃动模拟研究.本方法能够模拟液体自由表面的连续性变化,并适用于研究具有复杂外形容器的内部液体晃动问题.基于流体力学牛顿体基础理论,推导液体粘性方程和满足体积不可压缩的条件方程;采用基于绝对节点坐标方法描述的实体单元进行液体网格划分;采用罚函数方法描述液体与罐体之间的接触关系,组建液体-罐体耦合多体系统动力学方程.仿真计算液罐车内液体的横向和纵向晃动行为,发现液体自由表面形状呈非线性变化,不同断面处的高度和形状不同.

基于柔性多体动力学的瓦楞成型系统建模与仿真研究

针对某型号瓦楞机的瓦楞成型系统,基于自主研发的多体动力学求解程序,建立其刚柔耦合动力学模型。其中张力辊、瓦楞辊等主要支撑辊简化为刚体模型;传送带由36自由度绝对节点坐标四边形壳单元划分网格,并考虑其树脂材料的正交各向异性特征;此外,传送带与支撑辊之间的接触采用赫兹碰撞模型和点-面检测方法描述。利用该模型,计算了传送带的偏心位移,传送带表层应力场等动响应。仿真表明:基于绝对节点坐标法建立的瓦楞成型系统的多体动力学模型,可为瓦楞机传送带的动力学行为和控制研究提供一种新的分析方法。