计及非线性变形的空间自由旋转梁有限元模型

根据柔性梁的几何非线性变形理论,针对大范围运动的空间柔性梁,在考虑了弯曲和扭转的非线性因素对3个变形方向的影响的基础上,利用有限元方法进行离散,得到了较为精确的变形模式。利用Lagrange方程建立了非线性变形模式下的动力学方程,该方程包含了较为完全的刚度矩阵和各种耦合项。对一带有扭转弹簧的中心体-空间柔性梁结构进行仿真计算,说明变形耦合在横向变形中的作用不可忽视。     

计及非线性变形的刚-柔耦合动力学建模

考虑变形产生的几何非线性效应对运动柔性梁的影响，在柔性梁的纵向、横向变形位移中均考虑横向弯曲以及轴向伸缩的耦合作用，从非线性应变-变形位移的原理出发，说明增加耦合变最后，剪应变为零，由此得出的变形模式更符合工程实际和简化需要。并采用有限元离散，通过Lagrange方程导出系统的动力学方程。最后对一带有中心体的柔性梁，在大范围运动为自由和大范围运动为已知两种情况下进行仿真计算，结果表明，在结构有初始变形的情况下，仅在纵向变形中计及变形二次耦合量的一次动力学模型，与考虑完全几何非线性变形的文中模型具有一定的差异。     

预扭对大挠度柔性梁变形影响的非线性分析

利用Green-Lagrange应变张量建立了梁在大挠度、大转动、小应变条件下的预扭角与变形位移之间的联系,并根据Hamilton原理得到了梁运动的有限元方程,研究了预扭角变化对大挠度柔性梁变形的影响。数值结果表明:预扭角的变化对梁的侧向变形的影响最大、横向变形的影响次之,对弹性扭转角影响最小。通过梁运动的有限元模型对大挠度柔性梁施加的预扭角可以计算梁的变形。     

非线性变形的平面柔性梁在非惯性系下的动力学分析

针对大范围运动已知的平面柔性梁结构建立了动力学方程。经过分析,提出了非线性精确模型,采用有限元方法对梁结构进行离散,利用Lagrange方法建立了系统的精确动力学方程。与原有一次耦合模型相比,该模型中各项矩阵新增了两类耦合项:基点速度和角速度耦合项和变形耦合项。通过仿真计算,比较其动力学特性与零次、一次耦合模型的差异,确定各种耦合项的作用,并进行了定性分析。     

大范围转动弹性梁非线性动力学建模与摄动解耦

计及弹性梁大范围转动与弹性小变形之间的耦合作用,应用假设模态法进行坐标离散,采用Galerkin法和Hamilton原理建立弹性梁刚柔耦合非线性动力学模型;依据摄动理论构建正则摄动式,进而完成弹性梁非线性动力学的摄动解耦,在此基础上深入解析了摄动解耦误差及有效时间序列与阻尼系数的耦合关系。研究结果表明:在有效时间序列内摄动解耦精度较高,可通过简单增加摄动级数来进一步提高精度,避免了数值类方法存在的大量计算。     

弹性耦合对大挠度柔性梁变形影响的分析

考虑了梁纵向、横向和侧向三个方向的位移耦合项,利用Green-Lagrange应变张量建立了梁在大挠度、大转动、小应变条件下的应变-位移关系,并根据Hamilton原理得到了梁运动的有限元方程,研究了静力情况下弹性耦合对柔性梁横向、侧向位移及扭转角的影响。数值结果表明:弹性耦合作用使柔性梁的横向位移变大,侧向位移变小并产生扭转角位移;有限元计算结果与实验数据有很好的一致性;较主曲率变换方法计算结果更为准确。     

三维大变形梁系统的动力学建模与仿真*

对三维大变形柔性梁系统的动力学建模和仿真进行了研究。采用绝对节点坐标法描述柔性体的大变形和大位移运动,并由此建立三维大变形柔性梁系统的动力学模型。在此动力学模型基础上,编制动力学仿真软件,实现了对三维大变形柔性梁系统的动力学仿真。给出了两个动力学仿真算例。第一个对柔性单摆自由下落进行了动力学仿真,并与现有文献结果相比较,验证了模型的正确性。第二个对空间柔性双摆的自由下落过程进行了动力学仿真,并将模型计算的结果与使用ADAMS软件计算的结果进行比较。研究结果表明,ADAMS在计算大变形物体动力学时具有局限性,而所得的模型能够有效地对三维大变形柔性梁系统的动力学进行仿真解决这类动力学问题。     

平面连杆机构运动分析的梁单元法

给出一种仅用一种基本构件即平面梁单元去分析平面连杆机构运动的方法，首先对组成平面连杆机构的平面梁单元进行了分析，给出了描述单元的变形模态分量与单元端点坐标之间的函数关系，进而用传递函数的概念对机构的位置，速度和加速度进行了分析，在此基础上，编制了计算机程度ＣＡＡＭ（ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｉｄｅｄＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＭｅｃｈａｎｉｓｍｓ），结合实例，给出了数值模拟结果。     

形状记忆合金梁的非线性弯曲变形

形状记忆合金(Shape memory alloy,SMA)梁作为一种新型智能元件,在工程领域的应用日益广泛。基于实测的形状记忆合金材料应力-应变关系曲线及梁的大变形理论,同时考虑SMA材料拉压力学性能的不对称性及简支端移动等因素,建立形状记忆合金梁非线性弯曲变形的控制方程,并采用打靶法、辛普森数值积分等方法对方程进行数值求解。通过梁在不同载荷条件下的挠曲线以及最大挠度—弯矩曲线,分析材料非线性、几何非线性及简支端移动3个因素对SMA超弹性梁弯曲变形的影响规律。结果表明:梁中性层位置随弯矩变化;弯矩较小时,材料性能是线性的,几何非线性及简支端移动对梁的弯曲变形几乎不产生影响;弯矩较大时,材料性能是非线性的,几何非线性及简支端移动对梁的弯曲变形产生明显影响。     

计及变形耦合的双连杆柔性机械臂动力学模型

根据连续介质的几何非线性变形原理,结合柔性多体系统建模理论的最新进展,在柔性梁的纵向、横向变形位移中均考虑了横向弯曲变形以及轴向伸缩变形的耦合作用,对一双连杆柔性机械臂系统,将其简化为柔性梁结构,利用有限元法和Lagrange方程,得出不同于传统零次近似方程,也不同于一次耦合动力学方程的新方程, 并可将此方程拓展到多杆机械臂系统。模型包含了二次耦合附加项,并且由于增加了变形耦合量,对柔性梁产生了“软化”作用,使得柔性机械臂模型不同于传统动力学模型。最后,计算仿真说明了这种差异,揭示了新模型的特点和有效性。     

大型空间柔性梁的有限元动力学建模方法研究

在精确描述柔性梁变形的基础上,针对具有大范围运动的大型空间柔性结构的动力学建模方法进行了研究。首先利用有限元方法对空间柔性梁结构进行离散,导出其动能、势能及广义力,然后采用Lagrange方程建立系统的精确动力学方程。该方程包含各个方向的变形、变形运动与大范围运动的相互耦合项。     

柔性臂刚柔耦合动力方程的数值方法

在拉格朗日体系下,对同时具有关节和臂杆柔性的机械臂(下述简称柔性臂)系统进行动力学建模,从能量角度证明了传统数值积分方法求解微分方程时的不稳定性。论述了计入耗散力的拉格朗日体系转化为哈密顿体系求解时的困难,由此引入状态空间向量,得到与哈密顿模型等价的形式。采用精细时程积分算法(PIM)对所建刚柔耦合强刚性动力方程的数值求解,指出了传统PIM的局限性,并通过增维的方式将非齐次动力方程转化为齐次形式,避免了矩阵求逆造成的奇异现象,得到了逼近精确解的精细数值结果。     

轴向载荷作用下细长柔性旋转梁横向振动响应分析

将水平井柔性钻柱简化为轴向载荷作用下的细长柔性梁,建立了考虑几何大变形的非线性动力学方程,并且利用多重尺度法得到了柔性梁横向振动的平均方程。因钻柱转速和轴向力是影响钻柱振动的两个主要参数,故用改变转速的方法来对平均方程进行非线性动力学响应分析,给出了一阶、二阶模态下钻柱随转速变化的分叉图和不同转速下的相图。分析结果表明,系统响应经历了从周期到混沌再到二倍周期的变化过程,振动幅值有跳变现象出现,在共振条件下,柔性旋转梁振动幅值是有限值,并非无穷大,当轴向力发生变化时,可以通过控制转速变化达到定性、定量地控制柔性钻柱横向振动的目的。     

平面柔性多体系统完全动力学问题的回转键合图法

介绍平面柔性多体系统完全动力学问题的回转键合图法。给出了综合考虑刚弹性及多种能域相互耦合的平面柔性多体系统键合图模型的建立方法,推导出了便于计算机自动生成的系统状态方程及运动副约束反力方程的统一公式,克服了非线性几何约束及微分因果关系给建立系统状态方程及运动副约束反力方程所带来的代数环问题。回转键合图法特别适合于多种能域并存的系统。通过实例说明了方法的有效性。     

旋转运动柔性悬臂梁的动力特性及振动主动控制研究

摘　要:对旋转运动下柔性悬臂梁的动力特性和振动主动控制进行了研究。研究中考虑了 2种动力学模型:零次近似模型和一次近似模型。重点通过算例揭示 2种模型之间的巨大差异以及最优控制方法的有效性。算例结果表明,无控制时,零次近似模型只适用于较小旋转角速度时的情况;对于施加控制的情况,该模型的适用范围可放宽许多。一次近似模型不但能适用于较小角速度的情况,而且能够适用于较大角速度时的情况,且适用于无控制或有控制时的情况。最优控制方法能够使非惯性系下柔性梁的振动得到完全镇定。