非线性块系岩体动力响应及在巷道防冲支护中的应用

随着煤矿开采深度的增加,冲击地压灾害日趋严重,亟需采用新方法、新理论加以防治.摆型波是在深部岩体工程中发现的新型非线性波,其使岩体出现相对分离和相对压实的不同运动状态,与冲击地压灾害的发生密切相关.针对岩体中软弱结构层的非线性变形特征,引入双曲线模型建立块系岩体中摆型波传播的非线性动力模型,研究软弱层的物理力学性质(最大闭合量、初始刚度和阻尼)对块系岩体动力响应的影响.进一步,基于块系围岩与支护系统互馈作用的理论模型,在无初始地应力和考虑初始地应力的情况下研究巷道支护系统的刚度、让位能力和阻尼耗能作用对巷道顶板动力响应的影响,分析支护系统的受力情况,为新型防冲吸能巷道液压支架设备的吸能让位行为提供理论依据.研究结果表明:基于双曲线模型建立的块系岩体的非线性动力模型能够限制岩块间软弱层的最大变形量.冲击载荷越大,增大软弱层最大闭合量时岩块的加速度降低程度越显著.增加支护系统刚度,增强支护系统让位能力和阻尼耗能能力,均可有效降低巷道顶板的加速度幅值,减轻巷道围岩对支护系统的冲击力,有效保护巷道结构.

悬挂质量摆对大跨越输电塔的风振控制

为了研究被动控制装置对格构式高耸结构的控制效果,提出了一种悬挂质量摆风洞试验模型.基于控制减振机理和结构风振控制方程,进行了悬挂质量摆对输电塔结构风振控制的全塔气动弹性模型试验.采用Simiu脉动风速功率谱密度函数,利用三角级数法模拟了节点风速时程.根据准定常理论,计算了悬挂质量摆控制前后结构顺风向的加速度时程和均方根(RMS),并进行了参数优化分析.研究结果表明,由模拟风载计算得到的塔顶RMS与试验结果吻合较好,该质量摆模型可有效减小输电塔的风振响应.

自由端带有充液容器的压电悬臂结构晃振建模

为了利用压电驱动器作为主动元件抑制带有充液容器的结构晃振,需要对压电结构晃振进行精确建模。针对一个自由端部带有充液容器的压电悬臂结构,利用有限元方法对无充液情况下的压电悬臂结构进行模态分析并建立其状态空间表达式。利用质量摆等效力学模型描述容器中液体晃动,将推导出的压电悬臂结构模型和液体晃动模型耦合得到整个系统晃振模型。通过实验分别验证不同充液水平下的晃振模型的频率和Bode图。结果表明建立的带有充液容器的压电悬臂结构晃振模型及其状态空间表达式可用于控制设计。

刚弹耦合质量摆减振结构的动力学建模

利用Hamilton变分原理建立高层建筑质量摆减振结构在考虑刚弹耦合作用下的动力学模型.此模型中把高层建筑当作竖直悬臂梁即无线自由度结构处理,模型具有2个独立变量,为梁横向位移和质量摆的转角,同时考虑了几何非线性的约束条件,形成了一个非线性刚弹耦合方程.最后采用Galerkin方法对其离散化,导出有限维离散化动力学模型,并给出仿真算例,验证了该模型的正确性.

基于风电塔架结构的智能材料耗能阻尼器研究

为了降低受强风、地震和海浪等外部环境荷载作用的高耸风电塔架结构振动响应,针对风电塔架结构内部有限的空间,设计了一种形状记忆合金-悬吊质量摆智能减振系统。在研究其细部构造和工作原理的基础上,利用Matlab中Simulink工具创建了基于Bouc-Wen滞回模型的形状记忆合金-悬吊质量摆减振系统力学模型,通过输入正弦激励信号进行了非线性仿真分析,研究了不同参数取值对形状记忆合金-悬吊质量摆减振系统力学模型的影响,并与试验结果进行了对比。结果表明,形状记忆合金以其独特的超弹性、高阻尼、可恢复大变形等性能在结构智能振动控制领域中具有广阔的应用前景。

波浪能俘获装置的设计和研究

设计一种新型密封式波浪能俘获装置,浮体随波浪进行摆动,驱动浮体内摆体旋转,将波浪能转换成机械能;通过选取4种摆体的形状进行对比,选出最佳的摆体形状,并建构摆体的数学模型;利用Matlab软件对摆体在不同波浪条件下进行数值求解,之后在水动力测试平台进行模型试验。结果表明:球体是最佳的摆体形状,其装置俘获效率较高,且结构简单、成本较低,可为下一步定量优化装置提供有效的理论依据。

基于三质点模型的仿人机器人节能步行

为了实现高能效的双足步行,提出基于三质点线性倒立摆模型(3MLIPM)的步态生成与优化策略。首先,定义表征单位能耗的步态周期(UEWC),利用三质点模型,对机器人进行运动学建模与步行能耗评估,建立机器人步行过程的能耗评价模型,分析各质量块的运动性质,提出基于质心(CoM)加速度优化的二次型步行能耗评价指标;其次,对3MLIPM进行动力学建模,将CoM运动分为稳定分量与不稳定分量,CoM最优轨迹求解转化为求解运动分量误差项,通过跟踪参考的零力矩点(ZMP)轨迹,利用无约束优化算法求解对应的能耗最低的CoM轨迹;最后,实现了步态的在线生成,并且为消除腿部质量摆动导致的躯干质心附加运动,通过二分搜索的修正算法,修正3MLIPM的步行参数输入(步长和步宽),进一步降低了双足步行的能量消耗。通过仿真和试验验证了算法的可行性和有效性。研究结果表明:提出的能耗评价指标能够表征三质点步行系统的真实能耗,并且能够用于指导最优CoM轨迹生成;利用双足稳定支撑域,可以优化参考ZMP轨迹以实现低能耗步行;通过修正三质点模型的名义步行参数输入,消除等效ZMP产生的附加运动,针对不同形式ZMP参考轨迹,修正后的三质点模型相比于传统单质点模型,可以有效降低步行能耗。

燃料消耗下充液航天器等效动力学建模与分析

在轨航天器贮腔内的液体可能表现出多种不同的运动模式,主要包括液体相对于贮腔的整体性刚体运动、自由液面横向晃动、液体起旋后逐步发生明显的旋转晃动及液体自旋运动;复合三自由度刚体摆晃动模型能够较为全面地描述这些液体运动模式,同时为研究起旋阶段的液体晃动动力学问题提供了有效手段.本文对非线性液体晃动刚体摆复合模型作进一步发展,考虑模型等效参数随贮腔充液比的变化,提出了变参数的刚体摆复合模型,该模型适用于研究燃料消耗下非线性晃动类充液航天器大范围运动耦合动力学问题.采用刚体摆复合模型对球形贮腔内的液体晃动进行等效后,基于混合坐标意义下的拉格朗日方程推导了一类充液航天器轨道-姿态-晃动全耦合的动力学方程组,并展开了充液航天器大角度三轴稳定姿态机动和零冲量轨道机动仿真以及航天器耦合动力学响应特性分析.研究表明:液体相对于贮腔的运动会造成航天器主刚体位置发生偏移,当航天器在执行零冲量机动时,燃料消耗会造成航天器的轨道平动速度无法收敛到零;贮腔偏心布放时,航天器在执行轨道机动过程中贮腔内液体易发生剧烈而且形式复杂的晃动行为,进而可能造成航天器刚体运动的不稳定.

铁路罐车内液体晃动等效力学模型对比分析

罐车内液体晃动对罐车产生显著的干扰力、干扰力矩和冲击压力,影响罐车的动力学特性和安全性能。基于势流理论研究横卧圆柱体罐车不同充液比液体晃动问题,建立弹簧质量块模型和单摆模型2种等效力学模型,将其加入车辆系统多刚体动力学模型中,研究罐车的横向动力学和安全性,对比刚体模型结果表明,考虑流固耦合时液体晃动对罐车的运行安全性有不利影响。

基于形状记忆合金-悬吊质量摆减振系统的结构地震响应分析

针对风电塔架结构内部有限的空间,设计一种新型减振系统。基于悬吊质量摆减振原理,利用形状记忆合金(SMA)的超弹性特性,将SMA丝与弹簧叠加成SMA阻尼器后并与悬吊质量摆复合,设计了一种形状记忆合金-悬吊质量摆阻尼器(SMA-SMPD)系统。研究了细部构造、减振原理和参数影响,并利用Matlab软件对单自由度体系在不同地震作用下的动力响应进行了数值模拟。结果表明:所设计的刚度和质量可调的SMA-SMPD是有效的。与结构受控频率相调时,将结构振动能量集中转换到SMA-SMPD上,可耗散结构振动能量,减震率可达30%~40%,且整体性能稳定,对结构动力响应控制效果显著。

质心径向可变球形机器人多运动模式的运动特性对比研究

质心的径向变化使球形机器人具备重摆驱动与倒立摆驱动2种驱动模式,同时质心径向移动使运动状态呈现不同特点。将质心径向变化功能与非结构化环境中的任务需求相融合,对球形机器人实用性提升有重要意义。通过开展球形机器人在不同驱动模式、不同运动速度以及不同坡度情况下的运动实验分析,根据实验结果,基于控制系统的收敛速度、超调量、稳定性与响应速度4项控制性能指标、爬坡能力与转向能力2项运动能力指标以及能耗指标,分析总结了倒立摆驱动模式对球形机器人控制性能、运动能力以及能耗水平3类型运动特性产生的影响规律,同时构建了运动特性需求与质心径向位置的关联模型,为面向不同任务需求时质心径向可变球形机器人驱动模式与质心位置的选择提供依据。

基于LIPM的机器人快速行走优化

针对双足机器人,在线性倒立摆模型(LIPM)的基础上,提出了无双足支撑阶段的机器人快速行走优化方法.该方法在当前单足支撑阶段中寻找合适的换足时刻,使前后单足支撑阶段的质心位置与速度相匹配,达到了消除双足支撑阶段,提高行走速度的目的.在NAO机器人上进行对比实验发现:采用优化后的行走方法,机器人行走速度得到了明显提升.