部分柔顺翅翼机构及其动力学分析

提出将包含"固定-铰接"的柔顺片段的部分柔顺机构作为微扑翼飞行器的翅翼机构。在简要介绍刚性、含弹簧和部分柔顺三种翅翼机构的结构和特点之后,利用伪刚体法对部分柔顺翅翼机构进行了动态静力分析,并将结果与相同条件下刚性及含弹簧的翅翼机构进行了比较。研究表明部分柔顺和含弹簧的翅翼机构都能明显地减小刚性翅翼机构的运动副反力和平衡力矩的峰值,而在一周期内部分柔顺翅翼机构运动副反力和平衡力矩的平均值比含弹簧翅翼机构的平均值的要小。通过验证,这些结论在不同的曲柄转速下是相同的。     

基于四元数的刚体姿态运动的可视化仿真研究

为了很好地描述刚体姿态运动,采用四元数表示的方法,避免了欧拉角存在的奇异性,更减少了方向余弦矩阵的计算量。在仿真实例中,结合Simulink仿真技术,对刚体姿态运动建立仿真模型,利用VRML虚拟现实场景实现对姿态运动的可视化效果。仿真结果能够准确的反应刚体姿态运动,并具有设计简单、修改方便和观察直接等特点,可以应用到火箭弹道及控制弹道等模型的仿真。     

刚体空间定位问题的最优控制研究

利用四元数描述刚体的有限转动,得到刚体的有限转动状态方程。以四元数分量表示刚体的方位偏差,建立刚体定位控制运动学模型,以系统具有全局渐进稳定的特性导出定位过程的控制量与方位偏差的通用函数形式。在状态空间利用状态方程解的单调性和有界性分析了状态方程的解轨线在状态不动点邻域的变化趋势,给出了刚体趋近并稳定到目标姿态的条件。为实现定位过程的快速性,提出定位路径最短的最优控制方法,利用性能泛函的变分和极值条件,导出最优控制的状态方程及其边界条件,从而将刚体最优控制归结为微分方程两点边值问题。     

基于四元数的6R串联机器人运动学逆解应用

针对6R串联机器人运动学求解计算量大、传统方法求解困难以及涉及多解和奇异性等问题,在普吕克坐标系（Plücker Coordinate）下描述了刚体运动,建立刚体运动的四元数数学模型,进一步建立了6R串联机器人运动学几何数学模型,从而可以方便的求得6R串联机器人8组运动学逆解。最后,以一种串联机器人为例,利用Matlab/Simulink模型进行算法计算,最后用Matlab/robot toolbox进行结果验证。与传统方法相比,采用该方法求解串联机器人运动学,计算简洁、精度高、具有普遍通用性,有利于改善计算机控制的实时性。     

基于多刚体离散元模型的柔顺机构动力分析新方法

柔顺机构是部分或者全部由其构件的预期弹性变形来传递运动和力,这使得构件的弹性变形一般都较大。它的分析一般属于几何非线性问题。基于弹性体的多刚体离散元模型,研究了柔顺段和柔顺机构的多刚体离散元建模方法,推导了柔顺机构系统的一般控制方程,该方程可以解决柔顺机构的特征频率和几何非线性变形问题。并给出了算例,计算结果表明多刚体离散元方法能较好解决柔顺机构的几何非线性静力学和动力学分析。     

仿蝙蝠扑翼飞行器速度波动研究

利用拉格朗日方程,建立了仿蝙蝠折叠扑翼飞行器的动力学方程,分析了翅翼气动阻力和转动惯量对曲柄转速的影响。首先利用流体力学原理,建立了折叠翼气动力矩的数学模型;其次,针对单自由度平面连杆机构等效动力学模型,将平面连杆机构看做是质点系和平面刚体系统所组成的混合系统,建立翅翼在拍动和折叠情况下机构等效力矩和等效转动惯量的数学表达式;最后基于拉个朗日方程建立系统的等效动力学模型,求解系统的真实运动规律,为准确计算扑翼飞行器的气动升力提供了理论基础;以UG软件进行动力学仿真验证,两者在仿真结果上趋于一致,为该方法的可行性提供了依据。     

仿蜻蜓扑翼飞行器翅翼结构力学特性研究进展

总结了近年来蜻蜓翅翼和仿蜻蜓扑翼飞行器翅翼力学特性的研究进展,就蜻蜓翅翼形态结构与材料属性、翅翼结构力学特性、翅翼结构气动特性等方面进行了概述。根据近年发展现状,提出了关于该领域未来重点研究方向:翅翼形态结构方面,用更先进的观察仪器探究翅翼的细节特征;翅翼强度计算时,采用不同的材料属性以满足当前仿生翅翼材料的多样性;且在数值模拟计算中,计算模型需要趋于翅翼真实情况;并模拟出此前因受计算量限制而无法在计算模型中体现的翅翼细节;翅翼褶皱对翅翼结构力学特征的影响研究较少,相关领域亟待完善;此外本研究领域整体实验验证发展与数值计算相比还有一定差距,实验验证有待补足。     

用Fluent分析仿生翅翼运动产生的升力和升力系数

在微型扑翼飞行器的分析和设计中,仿生翅翼运动所产生的升力和升力系数具有重要的意义.应用计算流体力学分析软件Fluent对其进行了研究.研究结果表明翅翼在不同的运动模式下所产生的升力和升力系数是不同的,对比翅翼在匀速拍动或单纯以正弦规律拍动时的升力系数和基于铰链四杆机构驱动翅翼拍动时产生的升力系数,结果表明后者拍动时可以获得更大的升力系数;Fluent是对不同的翅翼运动模式下进行升力和升力系数分析比较简便、有效的工具.     

基于流固耦合的滑动轴承非线性油膜动特性研究

针对采用传统静态滑动轴承动力特性系数分析转子从启动到稳定在平衡位置这段时间内瞬态响应的误差较大的问题,提出了采用有限变分法和Newmark-β法相结合的非线性油膜动特性动态分析方法。该方法首先采用有限变分法计算非线性油膜动力特性系数, 解决了采用有限差分法时多次迭代的时效问题,大大提高了计算效率;然后根据计算得到的非线性油膜动力特性系数,通过Newmark-β法分析转子系统的瞬态响应,用学科间迭代方法实现了非线性油膜动力特性系数与转子瞬态响应之间的流固耦合;最后以Jeffcott转子系统为例,对比研究了传统静态分析方法与动态分析方法。结果证明,采用动态分析方法得到的转子系统瞬态响应幅值更小,精度更高。     

弹性体轴承分析的刚体节理元方法

应用相似原理将刚体节理元方法应用于弹性体轴承受力分析。把弹性体轴承离散为刚性块体（金属体）──刚体元和块体之间的弹性体变形层（橡胶层）──节理元。在各种载荷状态下，求出刚体元的运动以及节理元的变形和应力分布。通过实例计算，证明此法效率更高，精度更好。     

A nonlinear finite element model for dynamics of flexible manipulators

A general nonlinear dynamics model is developed for three-dimensional flexible manipulators. A manipulator link is modelled as a beam undergoing both large gross rigid body motion and elastic deformation. The beam is discretized by the finite element method with its inertia lumped at the nodes of each element. A nonlinear strain-displacement relationship is developed to retain the geometric nonlinearity resulting from the large relative elastic deflections. The geometric nonlinearity is specifically treated so that the significance of the geometric nonlinear effects can be easily included not only in the fully nonlinear model, but also in the linearized model. Numerical results are presented to demonstrate the significant effects of geometric nonlinearity on the dynamic response of a flexible manipulator.     

5R柔性并联机器人系统运动微分方程

为了描述平面5R柔性并联机器人的运动学和动力学特性,需要建立机器人的运动微分方程。针对刚性活动平台和柔性杆件的运动学耦合特点,改进了一套适用于刚体、柔性体耦合的有限元建模方法,推导出单元弹性广义坐标相对于系统弹性广义坐标的转换矩阵,综合考虑了科氏阻尼、离心刚度和几何非线性的影响,利用运动弹性动力学理论,建立了平面5R柔性并联机器人的运动微分方程,避免了采用运动学和动力学约束方程的弊端,提高了建模精度。计算实例表明,该方程反映了机器人的弹性振动特性,杆件的弹性变形对机器人的运动误差具有重要影响。     

Analysis of the dynamic stress of planar flexible-links parallel robots

This paper presents a method for the dynamic stress analysis of planar parallel robots with flexible links and a rigid moving platform. The finite element-based dynamic model of flexible parallel robots is proposed. The relation between elastic deformations and elastic displacements of the flexible links is investigated, considering the coupling effects of elastic motion and rigid motion. The elastic deformations of links are calculated. Considering the effects of bending-shearing strain and tensile-compression strain, the dynamic stress of the links and its position are derived by using the Kineto-Elastodynamics theory and the Timoshenko beam theory. Due to the flexibility of the links, the dynamic stresses are well illustrated through numerical simulation. Compared with the results of the finite element software SAMCEF, the numerical simulation results show the good coherence and advantages of the analysis method. The dynamic stress analysis is demonstrated to have a significant impact on the analysis, design and control of flexible parallel robots.     

基于绝对坐标的柔性机器人逆动力学建模和轨迹跟踪

采用了 Timoshenko梁理论和有限元法 ,由 L agrange方程建立了基于绝对坐标的柔性机器人逆动力学模型。由提出的非线性方程数值解法 ,求解出柔性机器人的输入关节角或驱动力矩 ,以此作为输入参量 ,可使机器人能够非常准确地跟踪末端轨迹。文中就三柔性臂机器人进行了仿真 ,验证了本方法的有效性     

冗余度柔性机器人协调操作刚性和柔性负载的仿真分析

采用有限元方法建立了冗余度柔性机器人协调操作柔性负载的模型。首次对两4R冗余度柔性机器人协调操作刚性和柔性负载进行了不同目标任务的对比数值仿真分析,指出任务空间和初始角度均是影响系统性能的因素,在设计任务时应选择较好的机器人可操作空间给定任务,使机器人采用较好的初始位形进行运动以提高系统性能。在对系统精度要求较高并且负载与机器人杆件具有接近的尺寸、材料更轻、刚度相近或更小时,需要考虑负载的柔性,以获知精确的负载位姿信息,利用运动补偿等方法消除不利因素,提高系统精度。     

薄壁深沟球轴承负荷分布及寿命研究

经典滚动轴承负荷分布的研究大多基于刚性套圈支承的假设,但用于柔性套圈支承的薄壁轴承存在较大误差。基于有限元分析软件ANSYS建立了薄壁深沟球轴承三维有限元分析模型,考虑外圈受载后弯曲变形对滚动体负荷分布的影响,分析载荷参数,轴孔配合间隙及滚动体个数等对轴承滚动体负荷及寿命的影响规律,分析结果与实验结果吻合度较高,说明运用该有限元方法对柔性支承套圈轴承进行性能分析是合理的,为进一步的性能分析及结构优化提供可靠的参考依据。     

欠驱动柔性机器人的动力学建模与耦合特性

运用有限元法,建立具有柔性杆的欠驱动机器人的动力学一般模型。以此模型为基础,分析系统的主动与被动关节的加速度耦合和被动关节与驱动力矩的动力学耦合效应,并针对欠驱动柔性机器人,提出柔性杆弹性变形分别与主动关节、被动关节动力学耦合的新指标。将欠驱动柔性机器人的被动关节加速度耦合和力矩耦合仿真结果与刚性系统相比较,在某个驱动器位置,柔性系统得到较大的耦合值,说明此时柔性系统更加有利于能量的传递,体现了杆件的弹性变形对系统动力学特性的影响。同时,数值仿真还表明这些动力学耦合指标对欠驱动机器人的结构设计、位形设计、驱动装置位置及系统控制都具有重要意义。     

柔性机器人的协调操作及其逆动力学控制算法

柔性协调机器人系统是一个含柔性机器人内部各杆之间,运动协调约束条件和动力协调约束条件之间,柔性机器人与负载之间,以及柔性机器人之间高度耦合的复杂非线性系统,无论在动力学建模,还是控制算法方面都要比刚性协调机器人困难得多。通过对刚、柔性机器人协调操作系统本质特性的比较,利用有限元法和Lagrange方程建立了柔性协调机器人系统的动力学模型,并以系统逆动力学任务为目标,提出了通过校正机器人名义刚性运动来达到提高系统位姿控制精度的预测校正控制算法,成功给出了平面两3R柔性臂机器人协调操作刚性负载的仿真算例。     

柔性钢丝绳的门式起重机的运动特性

主要研究钢丝绳为柔性时门式起重机的运动特性,利用拉格朗日方程,建立了门式起重机刚柔耦合系统的动力学模型,并利用有限元法对起重机动力学模型数学式进行求解.通过MATLAB提供的Simulink仿真工具箱,对起重机所建的模型在不同工况下进行仿真分析,与钢丝绳为刚性模型在相同工况下的仿真结果进行了比较.对仿真结果分析得出了钢丝绳的柔性特性对起重机转载小车定位和吊重摆动的影响;根据仿真结果分析的结论,给门式起重机定义了2个参数,并定性地分析了2个参数对起重机运动特性的影响.     

复合地层盾构切削系统的刚柔耦合分析

复合地层载荷的时变性及盾构切削系统动力传递的复杂性使得对切削系统及其相关零部件的设计校核变得较为困难.通过刚柔耦合方法,根据复合地层外部载荷特征,以切削系统主轴承内圈(大齿圈)为分析对象,将其作为柔性体对盾构切削系统进行接触力求解,以获得的接触力作为外载进行轴承内圈的有限元分析.所建模型及采用的分析方法有效提高了复杂载荷边界条件的提取效率及有限元仿真精度,为进行盾构切削系统关键零部件的设计校核奠定了基础.