桥上脱轨列车姿态演变行为与倾覆风险研究

针对高速列车桥上脱轨后的车体姿态演变行为与倾覆风险问题,通过多体动力学方法,建立八编组整车−桥梁防护墙多体动力学模型并开展数值研究。首先,通过相同工况下多体动力学结果与有限元方法结果,对比验证本文模型的正确性。然后,通过数值模拟分别研究直线空载高速列车、直线满载高速列车、曲线不同离心加速度下高速列车脱轨后的动力学演变行为。研究结果表明:桥上脱轨列车与防护墙发生撞击后,会出现明显的车轮跳起和车体大幅度侧滚现象,各车存在极大从右后向左前翻滚到线路外侧坠落的风险;桥梁曲线脱轨比直线脱轨更加危险,会出现明显的甩尾现象,离心加速度越大,甩尾现象越明显。

曲轴综合测量机几何误差建模及敏感性分析

为提高曲轴综合测量机测量精度,针对其几何误差元素多,逐一进行补偿工作量大、过程繁琐等问题,基于多体系统理论和齐次坐标变换建立曲轴综合测量机的几何误差模型,采用Sobol敏感性分析方法进行分析,识别出对测量精度影响较大的关键几何误差项。通过对曲轴综合测量机随动测板不同位置处的误差元素敏感性系数进行分析计算,从21项几何误差中识别出10项对曲轴综合测量机测量精度影响较大的关键项,为合理经济地提高曲轴综合测量机测量精度提供依据。

采煤机滚筒工作性能优化研究

在实际生产中,截割破碎过程是多作用耦合的结果,离散元法(DEM)与多体动力学(MBD)双向耦合技术可实现煤机设备与煤壁的信息交互,符合实际生产情况,具有较大的优越性。为提高采煤机滚筒的工作性能,基于DEM−MBD双向耦合机理,结合力学性能试验和模拟试验得到实际工况参数,采用仿真软件EDEM和RecurDyn建立了采煤机滚筒截割煤壁的双向耦合模型,对仿真过程中滚筒所受的转矩和截割力进行分析,证明耦合效果和截割效果较好。设计了单因素试验和正交试验,分析了滚筒运行参数对工作性能的影响规律,并利用SPSS软件得到滚筒转速、截割深度、牵引速度对截割比能耗、装煤率、载荷波动系数的影响程度,通过现场试验验证了模型的可行性。构建了以滚筒转速、截割深度、牵引速度为决策变量,以截割比能耗、装煤率和载荷波动系数为目标的多目标优化模型,利用改进多目标灰狼(MOGWO)算法和优劣解距离法(TOPSIS)对模型进行求解,得出当滚筒转速为31.12 r/min、截割深度为639.4 mm、牵引速度为5.58 m/min时,采煤机滚筒的工作性能最优,此时截割比能耗为0.4677 kW·h/^(3),装煤率为43.01%,载荷波动系数为0.3278。

履带式特种车辆精细化动力学建模与仿真

履带车辆动力学模型是车辆结构优化设计与控制算法开发、测试与标定的基础。基于商业软件所搭建模型的动力学方程及梯度信息对用户未知,极大地限制了结构参数与控制参数的优化效率。此外,现有商业软件求解效率低、实时性差,影响了控制算法开发进度。针对上述问题,基于多体动力学推导建立可同时满足纵横垂耦合运动仿真需求的履带车辆精细化动力学模型并进行仿真。建立考虑空间三维耦合运动的车体动力学模型以及精细到履带板的履带链动力学模型。通过计算履带板与各部件相互作用力,将车体模型、履带链模型以及地面相关联,最终构建190自由度的履带车辆动力学模型。在加速、刹车与转向等工况下与ATV(ADAMS Tracked Vehicle Toolkit)进行对比,结果表明自主开发的仿真模型纵横垂向运动仿真结果与商业软件高度一致,验证了新方法的准确性。

基于Simscape Multibody的SCARA机器人建模与运动控制仿真

针对SCARA机器人的运动控制仿真问题,利用Simscape Multibody建立SCARA机器人动力学仿真模型。此模型具备一定的通用性,集成机器人轨迹规划模块、控制器模块以及仿真数据采集接口,可以为SCARA机器人轨迹规划和运动控制算法提供开源研发平台。通过动态仿真验证该模型有效性。

弯管内可控万向铰接柔性管动力学特性研究

针对弯管内可控万向铰接柔性管随机动态接触问题,以弯管和可控铰接柔性管为研究对象,采用哈密顿原理结合多体系统动力学理论,引入刚体运动坐标系描述可控铰的运动约束,以管-管接触模型描述可控万向铰接管和弯管的动态接触,建立了弯管内可控万向铰接柔性管多体系统接触非线性动力学的数值计算方法。以超短半径水平井造斜段柔性钻具为例,根据贝克休斯公司的钻具动力学特性标准,对柔性钻杆的振动特性进行了评价,研究了不同转速和不同钻压对柔性钻杆动力学特性的影响。研究结果表明:横向振动是导致柔性钻具可能失效的主要因素;柔性钻杆的横向振动剧烈程度随着转速的增加而减小,随着钻压的增加而增大。

集总与多体耦合人车模型的振动特性仿真

为了更好地分析车辆行驶时人体的振动情况以及更好地评价人体的动态舒适性,通过COMSOL软件建立了集总参数与多体耦合人-椅-车动力学模型。利用滤波白噪声法建立随机路面时域模型作为人车系统的振动输入,对不同路面等级和车速下的人体振动响应进行时域和频域仿真分析。根据ISO 2631-1:1997(E)计算垂向和纵向人体头部以及臀部的加速度均方根值,以此来评价人体乘坐舒适性。研究结果表明,路面等级越低、车速越高,人体乘坐舒适性越差。提出的集总与多体耦合人-椅-车振动模型可以比较精确地计算出坐姿人体垂向、纵向的振动响应,有助于对车辆乘坐舒适性进行评价。

土壤对军用越野车辆机动性能影响分析

在软地面上的机动性能是军用高机动性越野车辆的主要性能之一,对于其野外作业有重要的战略意义。为了探究不同类型松软土壤地面路况对越野车辆机动性能的影响,基于离散元法对土壤进行建模,通过土壤堆积角测试试验以及土壤圆锥指数试验进行土壤刚度对标测试。通过DEM-MBD联合仿真方法,利用精确的土壤模型,对不可压缩干燥土壤、不可压缩湿润土壤、可压缩干燥土壤、可压缩湿润土壤4种不同类型土壤进行仿真分析,通过对比越野车辆平均速度、牵引力、驱动扭矩、轮胎沉陷量,探究土壤类型对越野车辆机动性能的影响。越野车在湿润土壤上比在干燥土壤上牵引力减少了6.98%,在不可压缩土壤上的稳定行驶速度比在可压缩土壤上稳定行驶速度高34.2%,在湿润的土壤路面上速度更加稳定。研究成果弥补了国内车辆地面力学领域土壤对整车机动性影响的空白,可为军车野外复杂地形(如沙地、雪地、泥泞等)作战时选择最优的行驶路面,提高作战效率。

基于Davenport风速谱的适配器海上动平台分离动力学研究

海上发射作为一种新兴的发射方式,与传统发射方式相比运载能力更强,在发射地点的灵活性和适配器落点的安全性方面有巨大的优势。为研究海上动平台发射过程的安全性问题,建立了海上垂直发射系统多体动力学模型。基于六自由度海浪摇荡激励和随机风载荷作用,通过实时更新适配器姿态和气动载荷,得到了适配器气动载荷变化过程和洒落轨迹。结果表明,由于存在初始分离速度,适配器在气动载荷作用下发生翻转,风载荷的存在使得适配器在初始分离阶段与火箭发生碰撞,适配器最大洒落距离为26.645 m,落点分布远离发射装置,但有落至动平台平面的风险。

车辆在非光滑路面的接触动力学分析方法研究

车辆接触动力学研究有助于更加全面地了解整车力学性能,对整车稳定性和座舱舒适性设计具有指导性作用.文章基于非光滑多体系统理论,对车辆系统展开接触动力学研究.考虑到车辆在行驶过程中,轮胎是与地面接触的唯一部件,轮胎动力学模型对整车动力学分析发挥着重要的作用.首先,借助于张拉整体结构的思想,建立轮胎的等效模型.然后,采用拉格朗日乘子方法,将约束方程引入到拉格朗日函数中,并基于第二类拉格朗日方程,推导得到整车系统的一般动力学方程.由于接触碰撞的存在,会导致车辆的状态变量呈现出非连续性.利用牛顿碰撞定律,建立了碰撞响应的非光滑数学列式,并利用光滑化的Fischer-Burmeister函数将非光滑数学列式进行等效替换,以提高计算效率.其次,将摩擦响应的求解转化为优化问题进行描述,以避免求解摩擦方向时出现奇异.另外,将车辆系统的一般动力学模型分解为光滑部分与非光滑部分进行求解,并利用广义α离散策略给出了详细的求解流程.最后,对整车系统展开了多工况的接触碰撞数值仿真,分析了不同工况下的接触响应对整车动力学性能的影响,验证了所提方法的有效性.

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。

Clustered张拉整体结构的动力学建模

针对clustered张拉整体结构,提出了一种基于任意拉格朗日-欧拉(arbitrary Lagrangian-Eulerian, ALE)法的多体动力学模型。相较于传统的拉格朗日法模型,该研究中的模型具有更为简单的运动学约束。首先,引入了一种ALE时变长度索单元,其网格节点与物质点可以独立运动,提供了一种自然的方式描述结构中运动的滑轮和滑动绳索;其次,利用达朗贝尔原理,推导了该单元的广义力向量并计算了相应的雅可比矩阵;然后,建立了张拉整体系统的动力学方程,并利用广义α算法对其进行求解,选取节点的全局位置坐标和物质坐标作为广义坐标,其中全局位置坐标可以被不同物体共享,以减少动力学方程的自由度数和消除物体间的约束;最后,展示了一个数值算例,10层可折叠张拉整体塔架,对其折叠过程进行了准静态和动力学仿真,验证了模型的有效性。所提出的模型和算法可为clustered张拉整体结构的设计提供理论指导,具有工程意义。

柴油机活塞缸套摩擦副润滑和多柔体动力学耦合特性

为研究四冲程车用柴油机活塞-缸套摩擦副的动力学及润滑特性,提出了一种新的活塞-缸套摩擦动力学耦合模型.模型中采用绝对节点坐标公式(ANCF)描述活塞-连杆-曲轴多柔体动力系统,采用平均雷诺方程和微凸体接触理论描述混合润滑模型,基于商用软件结合二次开发程序实现仿真计算.对活塞缸套摩擦副的润滑动力学计算分析表明,由于缸内压力和活塞敲击作用,缸套会产生最大值为23.6μm的瞬时变形.与刚体模型相比,考虑部件的弹性变形不仅会使活塞横向位移增加40%,还会使得活塞润滑域出现油膜压力的局部集中.另外,柔体模型的循环平均功耗更小,与刚体模型相比相差17.7%.

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。

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。

船用发动机连杆大端轴承润滑特性及损伤研究

基于多柔体系统动力学和润滑理论,建立活塞–连杆–曲轴的多柔体摩擦动力学耦合模型。模型中采用绝对节点坐标框架分析多柔体动力学特性,采用平均雷诺方程和微凸体接触理论描述混合润滑和磨损特性,在空间、时间上分别采用有限元法和向后欧拉法求解。对某船用中速发动机连杆大端轴承的润滑、磨损和疲劳特性进行了计算分析。结果表明,轴承润滑域中心的轴颈–轴瓦相对速度呈现规律变化,混合润滑状态主要发生在燃烧上止点后90°附近;磨损集中在连杆轴承上瓦周向50°区域的两侧边缘位置,单循环最大磨损量为1.7×10~(-6)μm,是刚体模型的20.5倍,磨损寿命为1.1×10~4 h;疲劳损伤位置与易发生磨损位置相同,疲劳寿命为7.8×10~4 h。

运载火箭并联级间分离动力学仿真与分析

基于间接预测法对并联两级运载火箭的级间分离过程进行了动力学仿真,获得了并联两体分离特性和规律。结果表明,气动力将有利于提高两级间的相对速度和距离,气动力矩对一级的姿态影响小,但会使二级产生较大的俯仰角与攻角。为了改善二级的姿态,基于分离的特性规律提出了分离优化措施,仿真结果表明优化后二级的姿态更加稳定、优化措施有效。最后分析了单一偏差因素、多偏差因素组合对分离运动的影响规律,并通过蒙特卡洛仿真得到了并联级间分离轨迹和姿态的包络范围,以此来评估分离的安全性。

电驱系统瞬态NVH特性分析与实验研究

为了研究新能源汽车电驱系统的振动噪声特性,构建了电驱系统结构有限元模型,并施加相应的电磁力和轴承力,分析了电驱系统加速工况的振动噪声。首先,通过永磁同步电机的二维瞬态场分析,得到稳速工况点作用于定子齿的电磁力;其次,应用多体动力学分析得到电驱系统各稳速工况的轴承力;然后,提取稳速工况下电磁力和轴承力的主阶次激励,并用三次样条插值得到各阶次的瞬态激励力,进行电驱系统加速工况的振动噪声分析;最后,对比分析了半消声室台架实验结果与仿真结果。研究表明,综合考虑电磁激励和机械激励,并通过插值拟合成瞬态激励的方法能有效地预测电驱系统瞬态噪声-振动-声品质(noise vibration and harshness,简称NVH)特性。

三轴数控机床几何误差分析及建模

机床几何误差具有稳定性、重复性和易测量等特点,对其进行建模和补偿,是提高数控(computer numerical control,CNC)机床加工精度最经济且有效的方式之一,在研究CNC机床几何误差时,建立准确可靠的几何误差模型具有重大意义。文中基于多体系统理论,运用低序体阵列描述三轴CNC机床的拓扑结构,应用齐次坐标变换矩阵和机床刀具运动传递链、工件运动传递链中各相邻体在运动过程中的运动传递关系,将机床几何误差沿运动误差传动链累积变换到刀具相对于工件的误差上,最终建立三轴CNC机床几何误差模型。该研究为三轴CNC机床的几何误差补偿提供理论依据。

两种基于Matlab的机械臂仿真方法实现探究

以机械臂为研究对象,利用Matlab软件工具提供的.m文件编程及Simscape/Multibody2种仿真环境,完成了特定机械臂模型的构建,并在各自的仿真环境中设定了机械臂末端的运行轨迹。仿真测试的结果验证了针对两种机械臂建模方法实现的可行性和有效性。详细介绍了以上两种方法的实现流程,并对具体的实现过程和测试结果进行了差异化分析说明和比较。这一研究结果有助于机械臂系统设计的集成和模块拓展,为机械臂设计与仿真技术人员提供了便利,有望缩短机械臂设计开发周期。