空间绳网捕获过程动力学与仿真研究

空间绳网是一种新型的在轨捕获技术,对解决日益紧张的空间环境问题具有重大意义。基于有限元法,将绳网离散为若干绳段单元,通过对单元的受力分析,推导得到了空间绳网的动力学模型。应用罚函数法建立了绳网与目标的碰撞动力学模型。采用ABAQUS有限元软件建立了空间绳网与捕获目标的仿真模型,并实现了捕获过程的动力学仿真,提出了空间绳网捕获效果评价指标,重点讨论了绳网对于不同目标捕获过程的差异。仿真结果表明:空间绳网与球体目标的碰撞力最大,对于正方体目标包裹性最好,并且碰撞后正方体目标的速度和位移增量最大。     

汽车四驱分动器换挡机构齿轮传动系统动力学建模与仿真

汽车四驱分动器换挡机构齿轮传动易产生振动和噪声,分析齿轮系统动力学特性,对研究换档机构振动机理具有重要意义。通过建立换挡机构三级行星齿轮和二级圆柱直齿轮纯扭转动力学模型,并基于扭转振动法在LMS Virtual.Lab Motion上建立换挡机构多体动力学仿真模型,同时考虑时变啮合刚度齿轮内部激励,采用BDF方法进行求解。通过仿真得到各输出轴转速与理论值进行对比,验证了模型准确性,同时得到各齿轮间动态啮合力变化曲线,为进一步研究换挡机构的振动噪声提供动态输入。     

桥式起重机起升系统非线性建模及仿真

桥式起重机系统较为复杂,具有时变、非线性的特点,现有设计手册利用动载系数放大设计无法准确量化动载大小。为进一步研究起重机动力学特性,文中根据多体动力学理论建立刚柔耦合模型,根据桥式起重机起升及下降过程,考虑钢丝绳松弛长度、钢丝绳刚度变化等因素,结合弹性地基力学模型,基于时变刚度与时变激励建立起升系统非线性动力学模型。利用Runge-Kutta积分法仿真得到起升及下降阶段钢丝绳拉力、过载系数、主梁振动、钢丝绳刚度变化数据。结果表明,钢丝绳松弛长度对拉力最大值有较大影响。     

齿轮传动系统的动态模拟

针对齿轮副非线性振动问题展开研究,综合分析了啮合冲击激励、时变啮合刚度和误差激励对齿轮系统振动的影响。根据扭转啮合刚度定义,分别建立了无齿面缺陷和有齿面缺陷的齿轮三维接触仿真分析模型。计算了两种运行状态下,不同接触位置上的扭转啮合刚度。在进行齿轮副非线性振动的分析时,综合考虑了啮合冲击激励、时变啮合刚度和误差激励等非线性因素,建立了齿轮副非线性动力学模型,采用变步长四阶Runge-Kutta数值积分方法求解了系统的动态响应。     

考虑时变间隙的并联指向机构非线性模态分析

针对复杂空间机构的振动模型难以建立的问题,基于数轴法提出一种简便的并联指向机构振动模型建模方法,利用ANSYS模态分析证明了该方法的可行性。为了研究运动副间隙对机构模态特性的动态影响规律,考虑运动副残余刚度,提出了含间隙运动副的改进非线性等效刚度系数建立方法。将改进的非线性等效刚度系数嵌入机构振动模型,建立了考虑时变运动副间隙的非线性振动模型。利用ADAMS对考虑间隙的机构动力学进行仿真分析,根据仿真得到的间隙数据对受时变间隙影响的机构非线性模态特性进行分析。研究结果可以为并联指向机构的动态性能优化、振动抑制和故障诊断提供理论依据。     

过盈接触式伸缩杆的动态特性

某无控空间飞行器的轴向展开机构是一类过盈接触式伸缩杆,伸缩杆的动态特性对飞行器的正常工作起重要作用。为研究伸缩杆在工作过程中的动力学特性,基于柔性多体系统动力学理论,结合含摩擦的连续碰撞模型,建立混合坐标下的过盈接触式伸缩杆的动力学研究方法,对伸缩杆拉开过程的运动行为和动力学特性进行数值研究,得到杆的位移和受力情况,同时对0.31 s时刻的各伸缩杆进行有限元分析,有限元分析结果与运动分析相吻合。研究结果表明:伸缩杆在恒定拉力作用下依次打开,能够完成动态过盈配合;拉力直接作用的伸缩杆先发生扰动,并且扰动幅度最大,四根伸缩杆的扰动趋势一致;伸缩杆受力产生变形,变形造成杆间的接触碰撞,接触碰撞进一步加剧杆的变形和扰动。     

大尺度充气式桁架太阳能阵列设计及动力学分析

提出充气式桁架展开大尺度太阳能阵列结构设计方法,具有热固化复合材料充气铰实现高效折叠收拢,以及展开后提高结构刚度的特性。研制了原理样机,并进行了地面展开试验,验证了充气展开及其充气式桁架的性能。可展开桁架结构设计特色是将可折叠充气支撑管与刚性碳纤维杆相结合使用,减少热功耗并提高结构刚度。考虑可展开桁架的腹管设计以及材料固化前后对大尺度结构动态特性的影响,对太阳能阵列的半结构进行有限元建模,并采用BlockLanczos法求解结构的模态,计算分析了不同激励位置时结构阻尼对结构的振动响应。结果表明,所设计的充气式桁架展开大尺度太阳能阵列采用热固化方法,能实现大尺度结构从柔性大转动展开向高刚度结构特性的改变;且对低频结构具有振动抑制效果,其振动响应能受到激励幅值和载荷的影响,并显著改变结构的动力学性能。     

空间绳系系统的运动仿真

采用"质点-杆"模型建立空间绳系系统模型,考虑飞行器、控制机构和绳系的质量,研究绳系系统由释放到稳定状态的受力特性,在此基础上利用两阶段方法对绳系系统的展开过程进行仿真;此模型对展开过程中动力刚化的考虑使其可以较准确描述绳系系统空间展开的动力学过程,为以后绳系展开等空间技术提供了参考依据。     

车辆多级行星传动系统扭振特性分析与优化

针对某高速履带车辆七档行星传动系统匹配问题,利用集中质量法建立了等效扭振模型,分析了扭振系统无阻尼自由振动固有频率和振型对转动惯量及刚度的灵敏度。结合行星变速机构的固有特征和内外激励频率,分析了行星变速机构各档位的共振情况,并基于灵敏度分析对扭转模型进行了动力学参数的优化。仿真实验的结果表明,优化后的动力学参数可较好地避免扭转振动。研究结果为进一步分析行星传动系统匹配对扭转振动的影响及改进扭振性能具有一定指导作用。     

卫星可折展空间碎片防护机构动力学分析

针对传统 Whipple 防护结构占用空间大、质量较大、防护覆盖面积小,且充气防护结构重复利用性差、可靠性低等缺陷,设计了一种卫星可折展空间碎片防护机构。根据可折展铰链运动规律,结合 D-H 法对防护机构进行展开运动学分析;在此基础上,借助 Lagrange 动力学方程建立防护机构动力学模型;最后基于 ADAMS 建立仿真模型,将理论模型计算结果与仿真数值对比结合分析,验证了动力学模型的正确性,并对运动规律进行改进,提高了机构运动效率。     

门座起重机臂架系统在起升动载激励下的动态特性研究

根据机械振动理论,对门座起重机臂架系统结构在起升动载激励下动力学特性进行研究,建立起重机起升机构的动力学模型,确定了起升机构在起动、制动工况下,钢丝绳系统弹性力的计算公式;运用ADAMS动力学软件,对臂架系统结构在起升过程时的动态响应进行仿真研究,为起升动载系数的选取提供一种新方法和理论依据.     

RV减速器传动系统动力学特性分析

为深入研究工业机器人用RV减速器动力学特性,采用集中参数法,综合考虑啮合阻尼、时变啮合刚度以及综合啮合误差,建立了RV传动耦合扭转动力学模型,通过数值解法对建立的动力学方程进行求解,得到其振动位移、振动角速度响应及各齿轮副动态啮合力。基于UG与ADAMS建立RV减速器动力学模型,进行仿真分析实验,验证动力学模型的正确性。通过改变啮合刚度分析了啮合力的变化,随着啮合刚度的增加,在一定范围内,传动过程中的啮合力更加稳定,为RV减速器的故障诊断和优化设计奠定基础。     

A variable stiffness mechanism for a movable magnet track of a linear motor stage

A movable magnet track for a linear motor stage changes the reaction force of a magnet track into vibration energy and reduces the stage base vibration. Although a movable magnet track can reduce the base vibration, the dynamic characteristic of the movable magnet track may be modified against the motion profile variation. This paper presents a variable stiffness mechanism for a movable magnet track of a linear motor stage. First, we introduce a passive Reaction force compensation (RFC) using a movable magnet track, and the Negative stiffness mechanism (NSM). Then, the variable stiffness mechanism using the NSM is used to reduce the stage base vibration. Lastly, simulations are performed using a linear motor motion stage with the NSM and the movable magnet track. The variable stiffness mechanism using the NSM not only reduces the reaction force but also adjusts the dynamic characteristic of the system.     

Frequency capture characteristics of vibration system with two degrees of freedom

In this study, the dynamical model of the vibration of the wind power system was established according to the Lagrange’s principle for investigating the phenomenon of frequency capture. The system response of the vibration of wind power device in the horizontal and vertical directions of tower was analyzed by numerical simulation. At the same time, the paper analyzed the characteristics of the vibration model comparing with the traditional model. Then the conditions of frequency capture were studied through the analysis of mathematical model. In particular, the effects that five key parameters had on the frequency capture characteristics were analyzed. Finally, the research reveal that reducing the eccentric mass and eccentricity of the blade, increasing the support stiffness and displacement damping coefficient, and increasing the torque of the input shaft can reduce vibration and avoid the phenomenon of frequency capture. The simulation results provide the theory basis for the design and installation of wind power device.     

Dynamic response analysis of a cantilevered beam due to an elastic impact

The beam structure models with impact or contact parts under impact forces have been applied to the design of mechanical and electronic accessories. Switches, pick-ups and sensors are the typical examples of the structure to be designed to colliding with other parts. The damping characteristics and stiffness of an impacter have a great effect on dynamic responses of structures subjected to impact forces. Since the response characteristics of structures have an effect on the generation of impact forces, both theoretical and experimental investigations for the dynamic relationships between the impacter and impact mechanism are required for the structural design to reduce impact forces or eliminate unwanted vibration modes. In this paper, in order to examine the relationship between the changes of the stiffness and damping of an impacter and the variations of the dynamic characteristics of the impact model of a cantilevered beam with an impacter, the impact force of the impacter and response characteristics of the cantilevered beam were analyzed by both numerical simulation and experiments. Since the stiffness and damping of the impacter are highly nonlinear, the contact model using revised Hertz-model was established by experiments. Also, the results of numerical analyses for the dynamic response and impact force of a cantilevered beam with an impacter have a good agreement with experimental results. It is believed that the mathematical model and the analytical method presented here can be used for the design analysis and the improvement of performances of the beam-shape switches and pickup devices.     

基于虚拟方法的发动机曲柄连杆机构优化设计

为降低多缸发动机曲柄连杆机构的振动,根据多刚体动力学理论,建立了参数化的曲柄连杆机构动态仿真模型,克服了传统的双质量模型中采用惯性力静力等效法的误差,快速获取其动力学特性数据;并结合对机构内主要件强度的有限元分析,改进了主要运动件的原始结构。通过以上工作,改善了曲柄连杆机构的动态特性,降低了发动机的振动,为曲柄连杆机构的优化设计提供了一种可借鉴的方法。     

空间充气硬化管成型工艺研究

充气硬化管是一种最基本的空间可展开结构,本文以7 m长的充气硬化管为研究对象,分析充气硬化管的结构特点和技术要求,通过对管壁材料、胶接方案、胶接工装、胶粘剂等成型工艺中的主要影响因素分别进行研究,摸索出一整套充气硬化管成型工艺路线,并且制造出实物样件,其性能满足结构设计要求。     

基于RecurDyn和ANSYS的液压挖掘机动臂结构优化设计

液压挖掘机动臂存在设计冗余的问题,为了对动臂的截面参数进行优化,首先对动臂的铰点受力进行了分析,建立了多体动力学模型,通过刚柔耦合动力学仿真,确定了动臂的各个铰点在坐标轴方向上的最大受力。通过单因素静力学仿真试验,建立了臂截面参数与最大等效应力之间的单因素数值拟合模型,通过多因素正交仿真试验,建立了多因素复合数值拟合模型,并将试验值与数值模型计算值进行比较,验证了模型的准确性。最后,以最大等效应力的最小值和抗弯截面系数的最小值为优化目标,利用遗传算法进行参数优化,获取最优设计变量。优化结果表明,优化后的截面参数较常规设计更能综合发挥材料的能力,优化方法为减少冗余设计提供了参考。     

康复机器人准零刚度隔振特性分析与实验

为了解决康复机器人低频振动对人体的影响问题,提出并设计一种具有准零刚度特性的新型被动隔振机构,它由两个对称的具有负刚度特性的拉伸弹簧并联一个线性正刚度弹簧实现。首先,通过静力学特性,建立此隔振机构的力-位移和刚度-位移关系式,得出机构在静态平衡位置处具有准零刚度特性的参数条件;其次,通过动力学特性,建立其分别在简谐力和简谐位移激励下的非线性微分动力学方程,采用谐波平衡法分析机构参数与激励对系统力传递率、位移传递率的影响;最后,通过实验验证在有、无负刚度情况下,输入与输出的曲线。结果表明,在有负刚度机构的情况下,隔振系统具有一定范围的准零刚度特性,且低频隔振性能较好,达到了高静态、低动态刚度的效果。本研究对机器人低频隔振具有创新性和指导意义。     

旋转超声换能器的建模与仿真

在输入功率一定的一维纵振旋转超声加工系统中,为高效、精确地获取加工刀具末端的输出振幅,文中根据牛顿定律将换能器抽象为一个由质量、刚度和阻尼3个参数来描述的动力学模型。然后利用MATLAB/Simulink软件对换能器系统进行动力学仿真,分析超声换能器的数学模型及状态空间仿真模型,并利用有限元分析软件ANSYS验证MATLAB/Simulink仿真的准确性。换能器末端输出振幅的大小直接影响超声振动系统的加工性能,得到的仿真结果为超声振动系统的设计和改进提供了理论依据。