无网格法在中心刚体-旋转柔性梁系统动力学分析中的应用EI北大核心CSCD

将无网格点插值法、径向基点插值法、光滑节点插值法用于中心刚体-旋转柔性梁的动力学分析。基于浮动坐标系方法,考虑梁的纵向拉伸变形和横向弯曲变形,并计入横向弯曲变形引起的纵向缩短,即非线性耦合项,运用第二类Lagrange方程推导得到作大范围运动的中心刚体-旋转柔性梁系统的动力学方程。将无网格法的仿真结果与有限元法和假设模态法进行比较分析,表明其作为一种柔性体离散方法在中心刚体-旋转柔性梁的刚柔耦合多体系统动力学的研究中具有可推广性。     

热载荷作用下大变形柔性梁刚柔耦合动力学分析

从非线性应变-位移关系式出发,用虚功原理建立了热载荷作用的柔性梁的热传导方程和旋转刚体-梁系统的刚-柔耦合动力学方程.由于考虑了刚度阵的高次变形项,适用于大变形问题.对温度、弹性变形和刚体运动变量联合求解.研究了热流引起的温度梯度对弹性变形和刚体转动的影响,以及在大变形情况下的几何非线性效应.     

大范围运动刚体-柔性梁刚柔耦合动力学分析

对自由大范围运动情况下刚体-柔性梁系统的刚柔耦合动力学特性进行了研究.考虑系统作平面大范围运动及柔性梁的纵向和横向变形,在纵向变形位移中计及横向弯曲引起的轴向缩短,即耦合变形项.采用假设模态法对柔性梁进行离散,运用拉格朗日方程推导出系统刚柔耦合动力学方程.分大范围运动为转动、平动,平面运动进行了动力学仿真,重点探讨了大范围平动下的刚体-柔性梁系统的刚柔耦合动力学特性.首先研究了系统在外界激励作用下的耦合动力学,其次分析了已知大范围平动对柔性梁小变形运动的影响.结果表明:零次近似模型不能反映大范围平动和柔性梁小变形运动之间的耦合作用;在不同的大范围平动加速度下,柔性梁中既可存在动力刚化效应,也可存在动力柔化效应.     

分布参数柔性航天器的变结构控制

该文基于Hamilton变分原理,采用Timoshenko梁理论,对带有柔性附件的航天器建立了中心刚体-柔性梁动力学模型。利用对柔性梁端部边界限制所设计的控制器,实现了系统的渐近稳定设计。该文给出了数值仿真结果,并分析讨论了航天器刚体角位移及柔性梁末端挠度的动力学变化规律。该文可为柔性航天器的动力学控制提供鲁棒性强的变结构控制方法。     

海洋顺应式结构的非线性自由振动分析

将海洋平台中顺应式结构简化为底端具有线扭转弹簧支撑,顶端附有集中质量块的水中柔性梁。采用连续介质力学方法,在小变形和大转角的假定下,应用大挠度理论建立了梁的非线性耦合运动控制方程和边界条件。在Morison方程的基础上研究了流体力的作用效应。运用有限差分法和Runge-Kutta法得到了方程数值解,分析了梁在真空中和在水中无阻尼、有阻尼的自由振动,并对大挠度理论下非线性结构与横截面转角近似下非线性结构及线性结构进行了比较。     

两种波浪理论下铰接塔平台的非线性运动特性分析

将铰接塔平台简化为底端具有线扭转弹簧支撑,顶端附有集中质量块的水中柔性梁.采用连续介质力学方法,在小变形假设下,应用大挠度理论建立了梁的非线性耦合运动控制方程和边界条件.基于Airy线性波理论和二阶Stokes波理论,应用Morison方程计算梁在水中所受的水动力.运用有限差分法和Runge-Kutta法得到了方程数值...     

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。     

基于刚度误差的直角柔性铰链设计可行域分析

应用伪刚体方法设计直角柔性铰链双柔性平行四杆结构时,为满足臂杆为刚性杆的假设,要求臂杆厚度远远大于柔性铰链厚度.设计常根据经验,缺乏相关的理论依据.本文通过对直角柔性铰链平行四杆结构进行刚度误差分析,得到臂杆等效为刚性杆的设计可行域.首先利用积分法求得考虑臂杆变形的精确刚度;然后利用有限元分析方法验证此刚度为精确理论计算刚度;最后,分析虚功原理法求得的理想刚度和积分法精确刚度之间的相对误差,研究其随结构参数的变化规律,并得到臂杆等效为刚性杆的值域,即应用伪刚体模型设计直角柔性铰链双柔性平行四杆的设计可行域.     

考虑粘结层滑移效应的组合梁弯曲

针对粘结型组合梁,在粘结层仅沿轴向剪切变形的假定下,给出了组合梁大挠度弯曲的一般非线性控制方程,指出仅在一阶近似下,组合梁子梁的轴线挠度相等.其次,在Euler-Bernoulli 梁变形的条件下,通过线性化方法,由上述非线性控制方程得到以挠度和轴向位移为基本未知量的组合梁线性弯曲耦合控制方程,该耦合方程组可分别退化为经典组合梁和叠梁的控制方程.最后,分析了悬臂组合梁在端部集中力作用下的线性弯曲,得到了问题的解析解,给出了不同梁长下组合梁自由端挠度、粘结层滑移位移和剪切应力等随粘结层剪切模量和厚度的变化曲线,进行了参数分析,结果表明:粘结层厚度和剪切模量对组合梁挠度和粘结层滑移有较为显著的影响,而对粘结层剪力影响很小.     

大行程串联柔性机构分析与设计

为提高柔性支承精密定位系统的行程,以传统直圆型柔性铰链为基本单元,提出一种新型大行程串联柔性机构.刚度与最大应力是影响大行程柔性机构性能的两个重要参数.采用伪刚体模型法,结合材料力学相关理论,建立了该柔性机构刚度和最大应力的理论模型.理论计算结果与非线性有限元分析结果相符,证明理论模型的正确性.在此基础之上,分析了大行程串联柔性机构的设计方法,验证了设计实例在大行程内的可靠性.脉冲响应测试实验结果表明由大行程串联柔性机构支承的精密定位系统定位误差不大于60nm.     

Buckling dynamics of imperfect Elastica subject to various loading conditions

Buckling dynamics of a pinned-pinned flexible imperfect beam attached to a sliding mass is investigated using nonlinear Elastica theory. Initially straight flexible buckling beam having pinned end boundary conditions loaded at one of its end with curved imperfection is considered. Large deflection analysis of flexible beam is studied using nonlinear Elastica theory. Imperfection analysis of the flexible beam is investigated considering the imperfection as an initial curvature. The governing differential equations are expressed in terms of nonlinear functions that are typical of flexible beams, generally leading to highly implicit relationships involving elliptic integrals and functions. Dynamic simulation of the flexible beam is studied using numerical simulation procedures with various types of loading (step, ramp, and sinusoidal) assuming this member buckles in its first mode. Dynamic response of the imperfect buckling Elastica has been obtained by using numerical Runge-Kutta methods. Load deflection characteristics of flexible beams are presented in polynomial curve fits. The polynomial curve fits obtained from nonlinear inextensible exact beam theory may then be used as the nonlinear lumped system stiffness. The buckling Elastica may find applications in compliant mechanism design. The motivation behind this research is not only to present the dynamic behavior of the buckling beam considering the magnitude of the imperfection but also to provide a tool to design new types of compliant mechanisms. Original compliant mechanism designs are presented demonstrating where the buckling dynamics of imperfect Elastica or flexible curved beams might be needed in mechanism design and synthesis.     

Synthesis methodology of a compliant exact long dwell mechanism using elastica theory

Compliant exact dwell mechanism design and its synthesis methodology are investigated. This class of compliant dwell mechanisms incorporates the buckling motion of an initially straight fixed–fixed flexible member as a follower. The initially straight flexible beam is modeled using nonlinear exact inextensible Elastica theory. The output response of a compliant long dwell mechanism is obtained using design charts for a mechanism that complies with the desired dwell time, maximum rise height and mechanism space requirements.     

基于数据增强的滚动轴承智能故障诊断方法

目的 针对包装机械设备中滚动轴承应用场景多且有效故障数据难采集而导致的智能诊断方法诊断准确率较低的问题,提出一种基于数据增强的滚动轴承智能诊断方法.方法 首先根据轴承振动信号的故障特征,提出一种数据增强方法,有效扩充训练数据样本多样性.然后采用卷积神经网络对原始样本和增强样本进行故障诊断训练,从而大幅度提高诊断模型的诊断性能.为了验证所提方法的有效性,建立滚动轴承故障试验台并采集轴承故障数据.结果 实验结果表明,在标签训练样本不充足的情况下,提出的方法与不使用数据增强方法相比,模型在诊断准确率方面取得了较大的提高,能够准确地识别各类轴承故障.结论 该方法实现了准确地对稀缺标记样本下滚动轴承故障的诊断,为保证包装机械滚动轴承故障诊断的诊断精度提供了可靠的方法.     

计及变形耦合项的平面柔性梁动力学建模及频率分析

考虑了变形产生的几何非线性效应对作大范围运动的平面柔性梁的影响，在其纵向、横向的变形位移中均考虑了变形的二次耦合变量，从非线性应变-变形位移的原理出发，说明增加耦合变量后。使得剪应变近似为零，由此得出的变形模式更符合工程实际和简化需要。考虑两个方向的变形耦合后，采用有限元离散，通过Lagrange方程导出系统的动力学方程。最后对一作旋转运动的平面柔性梁进行仿真计算，并对其固有频率进行分析研究。将本文模型所得的结论。与一次耦合动力学模型、零次近似模型进行比较，说明了三种模型的差异。得到了作旋转运动的平面柔性梁的一些新特点。     

磁致伸缩层合悬臂梁式作动器的振动分析

为了分析磁致伸缩薄膜型层合悬臂梁式作动器的振动问题,应用磁致伸缩材料的非线性本构关系,由哈密尔顿原理导出了双层悬臂梁的振动微分方程。采用分离变量方法和常微分方程组的解析解法对磁致伸缩薄膜型层合悬臂梁的自由振动和受迫振动进行了理论分析。数值算例表明本文计算结果与有限元结果吻合较好,从而佐证了本文理论模型和求解方法的正确性,并讨论了几何参数、材料参数对层合梁固有频率的影响。还分析了在周期输入磁场激励下悬臂梁的挠度响应,且挠度响应呈现出倍频效应的动态特性。      

尺蠖驱动器箝位机构的优化设计

箝位机构的性能直接影响尺蠖驱动器的性能,为满足尺蠖驱动器箝位机构输出力大、响应速度快和结构紧凑的工作要求,设计了单切口柔性铰链桥式箝位机构.该柔性机构的设计必须综合考虑机构的静动态特性,为此,建立了该机构的理论模型,通过刚度和固有频率的试验测试以及有限元分析,发现结构紧凑的小尺寸桥式柔性机构的理论模型误差较大,很难建立简单精确的理论模型.因此,利用有限元法研究了该柔性机构各几何参数对其静动态特性的影响,并通过改变该柔性机构的几何参数,实现对该柔性机构的静动态特性进行优化,以达到设计要求.结果表明它是一种简单有效的桥式耦合柔性机构的优化设计方法.     

Multi-objective optimization of a flexible slider-crank mechanism synthesis,based on dynamic responses

This work deals with a multi-body system synthesis. A flexible slider crank mechanism has been investigated as an illustrative application. The main interest is focused on the mechanism design variables’ identification based on its dynamic responses. Three responses have been involved such as the slider velocity, the slider acceleration and the mid-point transversal deflection of the flexible connecting rod. Each of these responses has been embroiled separately in a mono-objective optimization. Subsequently, the multi-objective optimization subsuming these responses has been established. Two different optimization methods have been studied namely the genetic algorithm (GA) and the particle swarm optimization (PSO) technique. It has been proved that the multi-objective optimization presents more accurate results beside the mono-objective optimization. Compared to the GA, the PSO is more powerful and is able to identify the mechanism design variable with better accuracy, in spite of the affordable computational time allowed with the GA optimization.     

振动顺料机动态特性仿真研究及优化设计

目的为保证振动顺料机在各种复杂工况下的工作可靠性,通过对振动顺料过程的仿真研究,优化其动态特性,提高顺料效率。方法从振动系统激振方式的角度出发,对运动激励和力激励2种激振方式的动态可靠性进行分析和比较,在此基础上以采用曲柄滑块机构的强制运动激励为激振方式的振动顺料机为研究对象,利用Solid Works软件建立振动顺料机的三维装配体模型,并在ADAMS中进行相关仿真模型的建立及其参数试验与优化。结果曲柄转速和曲柄长度对顺料效率具有明显影响,通过仿真得到了振动顺料机曲柄滑块机构中曲柄转速和曲柄长度的一组最优参数值分别为376 r/min和12.85mm。结论通过对曲柄转速和曲柄长度参数的仿真试验及其优化设计,提高了振动顺料机的顺料效率。     

大挠度梁静态变形对动态特性影响分析

在经典梁理论基础上，引入剪切修正因子，采用U.L法，推导了新的空间大挠度梁的切线刚度矩阵；以三维连续体增量虚功原理为基础，建立了空间大挠度梁考虑剪切影响的静态分析模型和动态特性分析模型；首先根据所建立的模型进行了大挠度梁的静态特性分析，验证了模型的正确性；然后进行了大挠度梁的动态特性分析，揭示了悬臂梁静态大变形对动态特性的影响规律。指出悬臂梁在大载荷作用下，结构固有频率会因为梁的大变形而发生明显变化，基频变化尤为明显。     

基于伪刚体模型法的平行板簧机构动态性能分析

本文以伪刚体（PRB）动力学模型为基础,对微纳米定位平台中的柔顺导向机构进行了分析．有限元分析的应用验证了柔顺导向机构在微纳米定位平台中伪刚体的动态特性．计算分析证明伪刚体模型法用于研究微纳米定位平台结构的动力学分析的可行性和有效性．