多刚体动力学在结构地震响应分析中的应用

该文将多刚体系统动力学理论应用于结构的地震响应分析中;将结构进行多刚体离散,建立了结构的多刚体-铰链-弹簧系统模型,并给出了多刚体离散化模型中弯曲弹簧的等效刚度系数的计算公式;运用多刚体动力学推导了求解结构地震响应的动力学方程,该方程与传统动力学方程的形式相似,可用一般的数值方法求解。该文最后对一单榀建立墙以及一10层剪力墙结构进行了地震响应的时程分析,并将计算结果与有限元方法计算结果进行了比较,两种方法的误差较小。算例结果表明,该文所提出的多刚体动力学用于结构地震反应分析的方法是可行且有效的。     

杆件结构非线性动力分析的多刚体方法

本文论述了杆件结构多刚体－弹簧系统模型的建立及其在平面弯曲情况下动力学方程的推导，文中用此方法对梁动力大变形与非线性材料的动力响应作了数值分析。     

系统运动对弹性梁固有频率的影响

梁在振动时,若固定梁的基础同时也在运动,由此而产生的哥氏力、向心力及回转力将作用在梁上并影响其固有频率。本文用多刚体动力学方法研究该运动对梁的固有频率的影响。首先建立系统的多刚体模型;然后用 Kane 方法推导系统的运动方程,并根据微幅振动的假设,使方程线性化;最后得到系统的刚度矩阵和质量矩阵。本文考虑系统作任意平面运动的情况。     

冗余约束多刚体系统摩擦碰撞问题的数值求解方法

针对冗余约束多刚体系统的摩擦碰撞问题,以牛顿恢复系数作为碰撞终止条件,以离散化的系统动力学方程和线性规划理论为基础,建立了相应的混合互补模型。为有效求解该模型,利用最小二乘法和线性化方法,将混合互补模型转化为标准的线性互补模型,用线性互补模型的求解算法进行数值求解。接着,提出一种直接投影修正算法对碰撞计算过程进行修正,有效防止了碰撞加剧约束违约的现象。最后,通过一个算例,验证了数值求解方法和修正算法的有效性。     

梯形轨枕轨道振动特性研究

为了探明梯形轨枕轨道在地铁车辆作用下的振动特性,利用车辆-轨道合动力学理论建立了地铁车辆和梯形轨枕轨道系统振动模型,假设车辆模型为多刚体系统,钢轨模型为无限长两端绞支离散支撑的Euler梁,用有限长两端自由的Euler梁模拟离散弹性支撑的梯形轨枕,利用显式积分法求解车辆-轨道非线性动力学方程,计算分析了梯形轨枕轨道在地铁车辆作用下的振动特性,讨论了轨道系统的振动与列车运行速度之间的相关性。研究结果表明:梯形轨道具有良好的减振性能,可以减小基础的动反力;随着地铁车辆速度的增加,钢轨和轨枕的垂向振动有所增大,而横向振动变化不明显。轮轨力随着车速的升高而增加。     

作大范围运动的柔性梁的动力学分析

对附着在空间运动体上的柔性悬臂梁的动力学进行了研究，利用微元法建立了中心刚体作任意三维大位移运动时柔性悬臂梁作横向和纵向振动的动力学方程，此动力学方程计及了动力刚化效应。在对柔性梁离散求解时考虑了横向弯曲对纵向变形的影响，最后通过几个例子分析了运动基上柔性梁的动力学行为。     

四刚体人体行走模型及其人行荷载分析EI北大核心CSCD

为模拟人体行走过程中的力学行为,运用多刚体模型对人体进行简化建模,建立了四刚体‑四自由度的人体动力学模型。运用欧拉‑拉格朗日方程的方法推导了动力系统摆动阶段动力学方程。为了使四刚体模型的行走具有拟人性,使用贝塞尔曲线对驱动自由度的运动轨迹进行了规划,从而将多自由度的运动方程简化为求解单自由度常微分方程的边界值问题。将数值模拟结果与试验和荷载模型进行对比,验证了所建立模型的可行性。     

旋转柔性梁的动力学建模及分析

基于一次近似理论，采用弧坐标分量和Cartesian坐标分量共同描述柔性梁的变形场，并采用Green应变张量描述应变能，用Hamilton原理建立系统动力学方程。揭示产生动力刚化现象的力学本质。采用有限元方法进行离散，基于数值实验系统地研究旋转柔性梁的动力刚化现象。计算表明，旋转柔性梁的横向固有频率随旋转角速度和中心刚体半径的增大而增大．从而只存在一阶临界转速，且当中心刚体半径超过临界半径时．不存在临界转速。     

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。     

旋转复合材料板的动力学性能研究

研究了旋转复合材料板的动力学建模方法.基于经典层合板理论,建立了旋转复合材料的动力学方程,考虑了传统建模方法忽略的二次耦合变形量.采用有限单元法对板进行离散,利用Iagrange方法建立了动力学方程.将该模型计算结果与传统模型计算得到结果比较,发现在转速较低的情况下,两者比较吻合,随着转速的提高,结果出现明显差异.建立了转动复合材料板的频率方程,研究了板的参数对其动力学性能的影响,转动板的一阶频率随着中心刚体半径以及转速的增加而增加,随着铺层角的增大而减少;对于正规对称正交层合板,随着铺层数的增加,其角点的最大变滗形也随着增加.     

改进EFG法用于旋转梁的刚柔耦合动力学研究

采用全域插值广义移动最小二乘(IGMLS)的改进无网格伽辽金(EFG)法,对旋转中心刚体-柔性梁系统的刚柔耦合动力学特性进行研究。利用考虑了柔性梁横向变形引起的非线性耦合项的一次近似耦合模型,根据Hamilton原理和EFG离散方法得到刚柔耦合系统的无网格动力学离散方程。在大范围运动未知的情况下,采用数值方法对刚柔耦合系统进行动力响应的仿真计算,并对EFG法的主要影响因素进行了讨论分析。通过与有限元法的数值计算结果对比,验证EFG法用于刚柔耦合系统动力学研究的有效性及可行性,并为无网格法用于更复杂的柔性多体动力学的研究提供了理论依据。     

基于完全笛卡尔坐标的多体系统微分-代数方程符号线性化方法

多体系统动力学方程分为两类形式,即微分方程和微分-代数方程。这两类方程都是针对大位移系统,并且方程呈强非线性。为研究多体系统小位移或振动问题,从多体系统动力学方程出发,讨论微分-代数方程线性化计算机代数问题。利用完全笛卡尔坐标描述多刚体系统,建立多刚体系统动力学微分-代数方程。利用逐步线性化方法和计算机代数,分别对多体系统微分-代数方程的广义质量阵,约束方程和广义力阵在平衡位置附近进行Taylor展开。给出一种基于完全笛卡尔坐标的多体系统动力学微分-代数方程符号线性化方法。最后通过两个算例验证该方法的有效性。     

带限位器的浮筏隔振系统的冲击响应分析

研究带限位器浮筏隔振系统力学模型及在基础冲击激励下的响应,应用多刚体系统动力学理论,首先给出了带有限位器的浮筏隔振系统在局部坐标系下刚度矩阵表达式,然后在总体坐标系下建立了浮筏隔振系统的运动方程,采用纽马克直接积分法计算带限位器的浮筏隔振系统在基础冲击激励下的运动响应,并结合工算例进行讨论,得到了有意义的结论.     

考虑刚-液耦合的大幅晃动多体系统动力学建模与分析

该研究考虑刚-液耦合,建立大幅晃动多体系统的动力学模型。基于光滑粒子群方法(SPH方法)建立了非惯性系下大幅晃动液体的运动方程,液体边界条件采用虚粒子法,保证边界处不可穿透,从而改进了液体自由表面的计算精度。为了解决传统的排斥力法计算液体作用于刚体边界的晃动力和晃动力偶矩存在的精度不足问题,提出了一种新的计算晃动力和晃动力偶矩的方法,通过计算各粒子绝对加速度,得到粒子的达朗贝尔惯性力的主矢和对刚体质心的主矩,利用达朗贝尔原理计算得到向质心简化的晃动力和晃动力偶矩,建立了考虑刚-液耦合的充液刚体的动力学方程。在此基础上引入刚体之间的运动学约束关系,建立多体系统的动力学方程。通过液体晃动与制动液罐车两个算例,验证了建模方法的有效性。     

考虑桨叶伺服控制的浮式风机多刚体动力学建模与验证

浮式风机是深远海域风力发电的关键结构,分析其在复杂海况下的动力学响应特征对保障远海风能开发具有重要意义。在初步设计和方案比选阶段,需要开发能够定量把握浮式风机动力学主要特征、且分析高效的一体化分析模型。为此,针对大型Spar式海上浮式风机,建立了多刚体动力学全耦合分析模型。基于Lagrange方程,推导了考虑桨叶转动与桨距控制的8自由度刚体运动方程。结合所建议的多刚体模型,基于Spar式浮式风机1∶50缩尺模型试验实测数据,建立了与试验物理模型相应的一体化多刚体数值模型,并进行了静力、纯风、纯浪以及风?浪联合条件下数值分析结果与试验观测结果的对比分析。采用本文建模理论,建立了OC3?Spar式浮式风机足尺结构数值分析模型,并与常用的风机结构分析软件FAST的计算结果进行了对比分析。通过与上述缩尺物理模型试验和足尺数值模型软件分析对比,验证了浮式风机多刚体动力学分析模型的有效性。     

刚柔耦合多体系统动力学模型降阶

提出了基于模态综合法的刚柔耦合多体系统动力学模型降阶方法。该方法用自然坐标法和绝对节点坐标法分别描述刚柔耦合多体系统中的刚体构件和柔性体构件,同时用Craig-Bampton方法对柔性体模型进行减缩。对于刚体构件与柔性体构件之间只存在线性约束的情况,建立了消除线性约束的刚柔耦合多体系统动力学方程。最后,为了验证的该方法的有效性,对刚柔耦合双摆进行了研究。仿真结果表明:适当选择模态就可以在满足计算精度的同时减少计算时间,提高计算效率。     

多管火箭总传递方程自动推导和动力学可视化仿真方法研究

多管火箭系统总传递方程的自动推导和动力学快速计算是多管火箭系统动力学设计的关键。针对某新型多管火箭,建立多管火箭多体系统发射动力学模型及其拓扑结构,根据符号约定和各元件传递方程,建立了某多管火箭系统总传递方程自动推导方法,提高了多管火箭多体系统建模效率和程式化水平。建立了多管火箭系统动力学可视化仿真系统,实现了新型多管火箭动力学快速可视化仿真,并得到了试验验证。为新型多管火箭动力学设计提供了理论基础。     

单翼太阳帆板航天器非约束模态动力学建模及特性研究

针对中心刚体-单翼大挠性结构的航天器，建立了一种非约束模态展开的动力学模型。探讨挠性航天器非约束模态动力学建模及动态特性，首先利用哈密顿原理建立了挠性航天器动力学方程，然后进行了模态离散化，分别在约束模态和非约束模态下讨论相关的特征值问题，非约束模态采用瑞利里兹法，求解了单翼挠性航天器的特征值问题，最后进行了数值仿真，比较约束模态与非约束模态之间的差异，并用有限元软件进行对比验证，得到了随着太阳能帆板长度的增加，即刚柔惯量比的减小，非约束模态比约束模态更加贴近实际情况的结论。     

受控柔性机械臂动力学建模仿真

针对链式反馈受控多体系统,建立了反馈控制的通用处理方法,构造了相应的控制元件,建立了受控多体系统离散时间传递矩阵法.该方法无需建立系统总体动力学方程,计算速度快、建模灵活,相比于其他动力学方法更利于对复杂受控多体系统的动态设计和实时控制.采用PD控制和基于压电激励器的模态速度反馈控制,分别建立了柔性机械臂系统相应的传递矩阵,应用文中方法实现了对柔性机械臂轨迹跟踪和振动主动控制,仿真结果表明了该方法的有效性.     

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.