多体系统中的冗余约束

冗余约束主要起因于系统奇异构型以及切断铰约束方程的自动生成, 它的存在对多体系统建模和求解都提出了更高的要求. 为了使系统运动方程可解, 需要从系统约束中分离出一组独立约束, 不同的独立约束组往往造成数值分析结果的不同, 但本文严格证明了理论上它们是一致的. 冗余约束在很大程度上加大了系统奇异构型附近违约量控制的难度. 针对这一困难, 本文提出了一种将约束稳定化和违约修正相结合的方法, 数值算例证明了方法的有效性. 鉴于物体的受力分析是实际工程的迫切需要也是多体系统动力学核心任务之一, 本文研究了冗余约束对约束反力的影响, 给出了判别铰约束反力是否唯一的实用准则, 针对两个铰连接同一对物体而引起的冗余约束, 提出了铰合成原理及其求解各自铰内接触力的方法, 并通过数值算例说明了方法的可行性.      

含非理想约束多柔体系统递推建模方法

基于多体系统中邻接物体运动学递推关系,可以证明树状多体系统中末端物体的作用体现为传递给其内接物体的惯性和外力. 由于闭环系统切断铰约束反力和非理想约束反力可看作为系统外力,任何复杂系统都可以转化为等效的树系统,并且系统约束方程中所涉及的广义加速度可以系统化地用描述约束反力的拉氏乘子替换. 基于以上结果,提出了针对含非理想约束多柔体系统递推建模方法. 利用该方法可以将复杂多体系统动态减缩为单个物体,从而在求解系统加速度时不需对整个系统的质量矩阵进行求逆运算,同时大幅度地降低了非理想约束反力方程的维数. 通过一个算例具体说明了所提方法的求解过程,算例结果与现有商业软件所得结果一致.      

弹性杆-刚性体系统动力学分析的广义逆矩阵方法

将多刚体系统的广义逆矩阵方法推广到含弹性杆与刚性体的混合系统的动力学分析中,建立了以节点坐标表示的基于全局惯性坐标系的刚体-柔性体混合系统动力学方程.首先以两端节点坐标为变量推导了弹性杆的动力学方程,以刚性体节点坐标为变量推导了刚性体节点速度约束方程和刚性体动力学方程,最后得到弹性杆与刚性体混合系统的动力学方程和速度约束方程.本方法在同一个惯性坐标系对刚柔多体系统进行描述,具有方法简洁、便于计算建模的特点.论文最后给出两个数值算例,检验了方法的有效性.     

含非理想空间棱柱铰的多体系统接触分析

传统的接触分析方法通过物体间的相对运动确定接触位置. 将这种方法用于多体系统中铰内的接触分析时, 无论铰内间隙是否十分微小都必须解除铰的运动学约束, 从而导致求解效率和求解精度方面的诸多弊端. 基于铰约束反力与铰内接触力之间的力系等效关系, 以及铰内可能接触点运动之间内在的运动学关系, 以矩形截面的棱柱铰为例, 提出了一种对空间棱柱铰进行摩擦接触分析的方法, 可在不解除铰的运动学约束的前提下得到铰内接触模式和接触力. 数值算例验证了方法的可行性.      

多体系统动力学方程违约修正的数值计算方法

多体系统动力学方程为微分代数方程,一般将其转化成常微分方程组进行数值计算,在数值积分的过程中约束方程的违约会逐渐增大.本文对具有完整、定常约束的多体系统,在修改的带乘子Lagrange正则形式的方程的基础上,根据Baumgarte提出的违约修正的方法,给出了一种多体系统微分代数方程违约修正法和系统的动力学方程的矩阵表达式.通过对曲柄-滑块机构的数值仿真,计算结果表明本文给出的方法在计算精度和计算效率上好于Baumgarte提出的两种违约修正的方法.     

多体系统中深沟球轴承旋转铰内接触分析

将传统方法用于铰内接触分析时,需要通过物体的相对运动细节判断接触位置. 但实际机械系统中的铰,其内部缝隙非常小以至于几乎与计算误差的数量级相同. 在这种情况下,传统方法中的数值病态非常严重,难以得到合理的结果. 结合深沟球轴承旋转铰的构造细节,分析了钢球与轨道接触时运动学描述参数之间的关系、钢球在有效承载时的受力特征以及铰内接触形式的特点. 在此基础上,提出了一种确定多体系统中深沟球轴承旋转铰内接触力和接触位置的方法. 所提方法不需要解除铰的运动学约束,也不必求解非线性互补方程,因此在数值稳定性和计算效率方面具有优势. 数值算例验证了该方法的可行性.     

含摩擦滑移铰平面多刚体动力学的HLCP方法

给出了一种基于水平线性互补问题(HLCP)的双边约束滑移铰含摩擦平面多刚体系统动力学的数值计算方法.首先从系统的约束方程出发建立了每个双边约束中两个约束面的法向约束力的互补关系;并利用摩擦余量的概念给出了库仑摩擦定律的互补表达式.然后针对事件驱动算法将该类非光滑多体系统动力学方程中双边约束中法向约束力切换和系统"stick-slip"运动状态切换的判断统一成HLCP的求解,通过定义一组变维数矩阵给出了HLCP形式的一般表达式,便于编程计算.最后通过一个两自由度多体系统的算例验证了该方法的有效性.     

含摩擦滑移铰平面多刚体系统动力学的数值算法

基于LuGre摩擦模型和线性互补问题(LCP)的数值算法,给出了具有双边约束含摩擦滑移铰平面多体系统动力学的数值算法.首先,根据滑移铰的特点,当间隙充分小时,将其视为双边约束,给出了滑移铰中滑道作用于滑块上的法向接触力的互补关系;LuGre摩擦模型能有效地描述机械系统中的黏滞与滑移运动,将该模型用于描述滑块与滑道间的摩擦力.其次,结合Baumgarte约束稳定化方法,应用第一类Lagrange方程,建立了该多体系统的动力学方程,给出了Lagrange乘子与滑移铰中作用于滑块上的法向接触力的关系式.然后,将滑块与滑道间多种接触状态的判断以及作用于滑块上的法向接触力的计算转换为线性互补问题的求解,并用常微分方程的数值算法求解该多体系统的动力学方程.最后,通过数值仿真算例揭示了滑移铰中滑块的黏滞与滑移现象,以及滑块在滑道内的多种接触状态;另外,在文中分别采用Coulomb干摩擦模型和LuGre摩擦模型,对算例中的某些工况进行了数值仿真,并且分别用本文方法得到的数值仿真结果与已有方法得到的数值仿真结果对比,表明了本文给出的方法的有效性.      

刚柔耦合约束多体系统的动力分析

本文提出了描述柔性多体系统的牵连坐标系统。该系统由惯性参考系,牵连坐标系,物体坐标系及单元坐标系组成,实现了对刚体平动,刚体转动及弹性运动的连续分解,最大限度地消除了由于刚体大角度转动导致的非线性特性。以有限元法为基础,应用拉格朗日方程建立了在该坐标下的刚柔耦合约束多体系统的动力学控制方程。该方程具有耦合程度小、易于推导、编程及求解等优点,为大规模约束多体系统的动力分析提供了新的途径。本文还讨论了平面铰链约束的约束形式及约束方程,最后给出了一个典型多体系统的数值算例。     

平面棱柱铰内考虑摩擦效应的接触分析

研究了多体系统中平面棱柱铰内的摩擦接触分析。在忽略铰内的碰撞效应的前提下,根据接触力系与约束反力的等效关系,以及各个角点接触力自身满足的互补关系,得到了接触力系关于摩擦力的线性互补方程。结合库仑摩擦定律,确定了铰内角点处的接触反力以及摩擦合力;另外,由接触力曲线可以得到铰内的接触形式,以及各个接触形式发生改变的时刻。通过ADAMS算例验证,这些接触形式转换的时刻就是铰内发生碰撞的时刻,为高效率地研究铰内碰撞提供了可能。     

Symmetry and ordinary differential constraints

The representative generalized symmetries of any ordinary differential equation are described in terms of its invariants. This identifies the evolution equations compatible with a given constraint. The restriction of the flow of a compatible equation to the solution space of the constraint is generated by the corresponding internal symmetry. This reduces the evolution equation to a finite dimensional system of first-order ordinary differential equations. The Euler–Lagrange equation of any conserved density of a given evolution equation yields such a reduction. Other examples include the generalized method of separation of variables, the characterization of separable evolution equations, and the characterization of equations with complete families of wave solutions. A Newton equation is compatible with an ordinary differential constraint if and only if the constraint is affine, with force field symmetry, in which case the equation reduces to a finite-dimensional dynamical system. Newton equations with complete families of characteristic solutions reduce to central force problems on solution spaces of linear constraints.     

具有非线性homologous变形约束的桁架结构形态分析

研究了具有非线性homologous变形约束条件的桁架结构形态分析问题。在已有的线性homologous变形约束桁架形态分析的基础上,将结构的节点分成三类:homologous变形约束节点,形状可变节点和边界点。运用Moore-Penrose广义逆矩阵性质,将基础方程组解的存在条件表示为包含形状可变节点未知坐标的非线性方程组,为采用Newton-Raphson方法求解非线性方程组,对AA (A为任意矩阵,A 为A的Moore-Penrose广义逆矩阵)求偏导数,找到了满足保型要求的形态,给出的桁架算例说明了本文方法的有效性。     

具有可积微分约束的力学系统的Lie对称性

研究具有可积微分约束的力学系统的Ｌｉｅ对称性与守恒量。采用两种方法：一是用不可积微分约束系统的方法;另一是用积分后降阶系统的方法,研究两种方法之间的关系。     

基于祖冲之类方法具有保辛性

分析微分-代数方程的祖冲之类算法可以在时间格点上精确满足约束方程,计算格式简单,易于编程计算,因此十分实用。本文证明,基于祖冲之类方法不仅保约束,同时还保辛。     

THE SOLUTION FOR THE GENERALIZED RICCATI ALGEBRAIC EQUATIONS OF LINEAR EQUALITY CONSTRAINT SYSTEM

I.IntroductionTheestablishmentofanalogytheorybetweencomputationalstructuralmechanicsalldoptimalcontrolisbasedonthesubstructuralchaintheoryinstructuralmechanicsandthelillearquadratic(LQ)controlprobleminoptimalcontrolllJ.Whendealillgwiththecontrolproblenlbyapplyingtheabovethe.ry,wecanrealizetheadvantagesofmethodsinstrLlcturalInechanicsl2'3].Howevermostworkhasbeenlimitedtothenon-constraintsystemandlittleworkhasbeendonefortheconstraintsystemsofLlr.InRef.I4],basedonthegeneralizedvariationalprin…     

The solution for the generalized riccati algebraic equations of linear equality constraint system

Based on the dynamic equation, the performance functional and the system constraint equation of time-invariant discrete LQ control problem, the generalized Riccati equations of linear equality constraint system are obtained according to the minimum principle, then a deep discussion about the above equations is given, and finally numerical example is shown in this paper. Project supported by the National Natural Science Youth Foundation of China     

关于分析力学中约束力的表达问题

本文针对分析力学中约束力表达式是否合理的问题,分析了约束、约束方程、约束力、位移和运动学限制等概念之间的关系并建议了一个新的关系,指出：（１）即使是理想约束,约束力也只能由约束而不是由约束方程统一确定;（２）实现运动学限誓由蝗途径不是唯一的,约束力的乘子表达式不是普遍适用的。给出了对于具体的约束,约束力表达式正确与否的判别原则。示例说明了上述论点。     

基于运动约束解过约束并联机构变形协调方程

提出利用运动约束关系来间接求解过约束并联机构变形协调方程．首先介绍了该方法的原理,接着分别针对平面和空间过约束并联机构,详述该方法的解决步骤,结果验证了该方法的正确性,从中还可看出该方法在求解复杂过约束并联机构时非常简洁,最后介绍了采用该方法解决多度过约束问题．     

Bifurcation on synchronous full annular rub of rigid-rotor elastic-support system

An aero-engine rotor system is simplified as an unsymmetrical-rigid-rotor with nonlinear-elastic-support based on its characteristics. Governing equations of the rubbing system, obtained from the Lagrange equation, are solved by the averaging method to find the bifurcation equations. Then, according to the two-dimensional constraint bifurcation theory, transition sets and bifurcation diagrams of the system with and without rubbing are given to study the influence of system eccentricity and damping on the bifurcation behaviors, respectively. Finally, according to the Lyapunov stability theory, the stability region of the steady-state rubbing solution, the boundary of static bifurcation, and the Hopf bifurcation are determined to discuss the influence of system parameters on the evolution of system motion. The results may provide some references for the designer in aero rotor systems.