船用挖掘机机械臂刚柔耦合动力学及特性研究

将船用挖掘机机械臂结构近似处理成带末端集中质量的柔性悬臂梁。考虑机械臂轴向变形,用拉格朗日定理建立其刚柔耦合的动力学方程,用数值方法求解相关参数一阶固有频率灵敏度,获得机械臂振动固有频率及相关参数变化关系。应用NASTRAN、ADAMS等软件建立柔性臂架、柔性变幅绳、柔性抓斗提升钢丝绳、刚性支架、刚性回转平台的船用挖掘机机械臂系统虚拟样机模型。结合该机械臂系统结构及工况特点进行动力学仿真分析,获得系统位移、速度、加速度及连接点铰接力、机械臂的动态应力等动态性能。并对结果对比论证,为进一步研究机械臂工作稳定性及运动精度控制提供依据。     

随机参数双连杆柔性机械臂的可靠性分析

将Lagrange方程和假设模态法相结合建立了考虑关节处摩擦的双连杆柔性机械臂的动力学模型。考虑随机因素的影响,将随机因子法的处理方式引入随机响应面法中,提出一种处理多输入随机参数的双连杆柔性机械臂系统可靠性分析方法,并分别建立了系统强度、刚度和运动功能的功能函数。通过算例验证了该文模型和方法的合理性和可行性,同时预测了系统的可靠度。研究结果表明,同可靠性分析的Monte-Carlo法相比,该方法对双连杆柔性机械臂的可靠性分析具有良好的精度和效率,在取相同变异系数的情况下,几何参数对系统可靠度的影响较大。     

捕获载荷冲击漂浮基柔性空间机械臂动力学响应评估与自适应镇定控制及主动抑制

分析漂浮基柔性空间机械臂受捕获载荷冲击后动力学响应及控制,利用假设模态法近似描述空间机械臂柔性杆弹性变形;利用第二类拉格朗日方程建立漂浮基空间机械臂系统动力学模型。基于动量守恒原理,利用动量冲量法评估受捕获载荷冲击后漂浮基空间机械臂系统动力学响应。设计自适应控制算法对受捕获载荷碰撞冲击后不稳定漂浮基空间机械臂进行镇定控制;设计线性二次最优控制算法抑制柔性杆弹性振动。用数值仿真验证控制算法的有效性。     

采用干扰补偿模糊整定的双柔性机械臂抑振策略

双柔性机械臂由柔性关节和变长度的柔性负载组成,会同时受到柔性、摩擦和参数时变的影响,在运动过程中,它会出现振动的现象,导致末端执行器的跟踪精度降低。本文采用基于干扰观测器的模糊整定PI策略控制双柔性机械臂伺服系统的输出转速,通过控制柔性负载的转速波动间接抑制机械臂的振动。根据假设模态法和拉格朗日原理建立了考虑变形的双柔性机械臂伺服系统的动力学方程。根据鲁棒稳定性理论设计干扰观测器中的低通滤波器,使干扰观测器同时满足控制器参数时变和受控对象参数摄动的稳定性。通过数值仿真分析和双柔性机械臂伺服系统控制实验,验证了所提方法的有效性。实验结果表明,本文提出的控制策略可以更好地消除参数时变和柔性对于输出转速的影响,提高末端执行器的控制精度。     

带有移动末端执行器的柔性机械臂的动力学分析

为了分析带有移动末端执行器的柔性机械臂的振动特性,将该系统建模成一个带有移动质量的在竖向平面内作伸缩和旋转运动的柔性悬臂梁。为了方便研究,引入了两个坐标系:随悬臂梁旋转的局部坐标系和固定不动的整体坐标系;结构在局部坐标系下的物理量转化到整体坐标系中,并给出总动能和总势能,利用拉格朗日方程和假设模态法导出了结构的动力学方程;当机械臂以匀速旋转时,系统动力学方程为线性;当机械臂变速旋转时,系统动力学方程为非线性;通过数值算例分析了机械臂和移动末端执行器在不同运动状态下的动力响应;此外还讨论了移动末端执行器和机械臂间的摩擦力对机械臂振动特性的影响。所得结论为相关机器人及其装备的设计提供了理论依据。     

六自由度空间柔性机械臂的动力学分析与仿真

突破了仅对两自由度平面柔性机械臂进行研究的传统,而对多自由度空间柔性机械臂进行动力分析。用假设模态法表示臂杆柔性,并将变形量融入D-H坐标系,通过对机械臂末端的轨迹规划得到刚性运动学的逆解。运用Kane方法对多自由度的空间柔性机械臂进行动力学建模,推导出完整的系统动力学方程,采用较高精度的四阶龙格-库塔法对动力方程进行积分求解。给定一个六自由度柔性机械臂模型,并对其进行数值仿真,验证了臂杆柔性对机械臂的动力响应产生的重要影响。     

六自由度空间柔性机械臂的动力学分析与仿真

突破了仅对两自由度平面柔性机械臂进行研究的传统,而对多自由度空间柔性机械臂进行动力分析.用假设模态法表示臂杆柔性,并将变形量融入D-H坐标系,通过对机械臂末端的轨迹规划得到刚性运动学的逆解.运用Kane方法对多自由度的空间柔性机械臂进行动力学建模,推导出完整的系统动力学方程,采用较高精度的四阶龙格一库塔法对动力方程进行积分求解.给定一个六自由度柔性机械臂模型,并对其进行数值仿真,验证了臂杆柔性时机械臂的动力响应产生的重要影响.     

基于小波基模糊神经网络的漂浮基柔性空间机械臂轨迹跟踪控制

讨论了载体位置不受控、姿态受控情况下,参数未知漂浮基柔性空间机械臂关节空间协调运动的轨迹跟踪控制问题。依据系统动量守恒关系和拉格朗日第二类方程,由假设模态法,建立了漂浮基柔性空间机械臂的系统动力学方程。以此为基础,针对系统参数未知的情况,设计了一种小波基模糊神经网络的控制方案,以使柔性空间机械臂的载体姿态到达期望位置的同时,机械臂关节铰能够协调地跟踪关节空间的期望轨迹。该方案具有无需预知柔性空间机械臂的模型和系统参数的优点,且网络权值是通过在线学习进行调整,节省了离线训练的时间。系统的数值仿真表明了所提出方案的有效性和可行性。     

漂浮基空间柔性机械臂在轨捕获碰撞分析

针对漂浮基空间柔性机械臂执行抓捕任务过程中的碰撞问题,提出了一种当机械臂末端与目标物发生碰撞时分析系统响应的方法。首先,运用悬臂梁模型和假设模态法建立了考虑臂杆空间柔性变形时空间柔性机械臂的运动学模型;然后,以赫兹阻尼模型模拟软接触碰撞过程,结合拉格朗日方程建立了系统碰撞动力学方程,并推导了关节处于自由和完全受控两种状态时在末端激励下系统的响应方程;最后,通过数值仿真实验分析了机械臂关节处于特定状态下,在末端与目标物产生碰撞接触时漂浮基空间柔性机械臂的响应。数值仿真结果表明空间柔性机械臂在执行在轨捕获任务时,由于接触碰撞产生的碰撞力可能会很大,关节承受力矩甚至可能超过其物理承受极限,同时由于碰撞冲击产生的臂杆位于运动平面内和垂直于运动平面的柔性变形大小相当,在研究柔性机械臂的碰撞响应时应当同时考虑。     

漂浮基柔性空间机械臂关节运动的拟增广自适应控制及柔性振动实时主动抑制

讨论了载体位置、姿态均不受控情况下,自由漂浮柔性空间机械臂系统关节运动的拟增广自适应控制和柔性振动实时主动抑制问题。此类机器人系统的特点在于:结合系统动量及动量矩守恒关系得到的完全能控形式的系统动力学方程,关于系统惯性参数不符合惯常的线性函数关系,因此地面机器人的控制方法在此难以直接推广应用。为了克服上述难点,我们仅将系统动量守恒关系耦合到系统动力学方程当中,而不耦合系统动量矩守恒关系,结果得到一组欠驱动形式的系统动力学方程。其优点在于,系统动力学方程关于一组组合惯性参数保持惯常的线性函数关系。以此为基础,设计了具有未知参数柔性空间机械臂关节轨迹跟踪的拟增广自适应控制方案。并根据柔性子系统的动力学特性,设计了一个基于反馈的自适应控制方案来对柔性杆的振动进行快速实时的抑制。所提出的控制方案还具有不需要测量、反馈载体位置、移动速度和移动加速度的显著优点。系统的数值仿真,证实了方法的有效性。     

具有隔震构造的安全壳飞机撞击耦合动力响应模拟分析

建筑物隔震构造主要用于削弱地基中地震荷载对上部结构的影响,而来自上部的飞机撞击对于安全壳隔震体系的影响如何是保证核电安全值得探讨的重要问题。为评价核电站安全壳隔震体系与飞机撞击的耦合动力效应,该文提供了一种细致的模拟耦合动力分析的手段,建立了安全壳细致的动力数值模型,针对不同刚度的隔震支座及无隔震条件,进行多种类型飞机撞击作用下安全壳的动力响应分析。结果显示,飞机撞击作用期间,不同刚度的隔震支座与无隔震条件相比,撞击位置中心节点位移与冲击力的大小具有相关性,因而存在差异,而对于安全壳混凝土结构损伤区域分布则差异不大;但在撞击荷载作用后,不同刚度的隔震支座则会对安全壳振动衰减过程有较大影响。研究表明在隔震体系设计阶段,不能片面的考虑隔震体系在削弱地震响应方面的需求,需要与飞机撞击振动衰减过程耦合分析,从而确定适宜的隔震支座水平刚度等参数。     

空间RRRP机械臂的刚柔耦合非线性动力学特性研究

摘 要 机械臂的刚柔耦合非线性动力学特性分析是实现其运动精度控制的基础。针对某航天飞行器装载的RRRP型空间机械臂,采用模态组合函数描述各臂的弹性变形,将转动副角位移、移动幅线位移以及各臂的模态坐标作为广义自由度,利用Lagrange定理建立了空间RRRP机械臂的非线性动力学方程,采用4-5阶变步长 Longgekuta法,对非线性微分方程组进行了数值求解。研究了机械臂刚柔耦合的非线性特性及结构参数变化对末端振动的影响,为进一步实现其结构优化和精度控制奠定基础。     

计及二阶效应的梁杆系统动力响应分析方法研究

基于动力刚度法和有限元理论提出了一种考虑二阶效应计算梁杆动力响应的新方法。通过求解轴向力作用下Bernoulli-Euler 梁横向和轴向挠度自由振动微分方程,利用位移边界条件反解出待定系数,得到了动态精确形函数;使用经典有限元方法推导了考虑截面自身旋转惯量的质量阵和考虑二阶效应的刚度阵,该质量阵和刚度阵各元素均为轴力和圆频率的超越函数;建立了杆系结构瞬态动力学分析的动力平衡方程,给出了稳定和高效的求解方案。对几个典型的算例进行了计算分析,并与通用软件ANSYS 的计算结果进行了比较。计算结果表明:该分析梁杆系统动力响应的新方法具有较高的计算精度和效率,特别是能够准确地计入轴力对于梁杆动力响应的影响。     

飞机液压管路支撑的2自由度动力学模型研究

针对飞机吊挂区域“机体结构-支撑组件-液压管路”机械振动系统中的支撑组件，在其承受动载荷作用时对其动刚度及加速度导纳进行有限元分析；基于经典隔振理论，将机体结构视为弹性体，考虑支撑组件质量、阻尼及刚度，建立以机体结构振动为激励源、液压管路为振动受体的管路支撑组件两自由度物理模型，采用四端参数法推导支撑组件的位移/力传递率，对位移传递率的影响因素进行分析。结果表明，影响支撑组件隔振性能的主要因素是刚度参数，其不仅影响位移传递率曲线的幅值，同时导致峰值产生频移；而支撑组件的质量参数和结构阻尼参数主要对曲线幅值存在不同程度的影响。分析及结论将对飞机液压管路系统的减振及提高系统性能和寿命具有一定参考价值。     

Performance improvement of an active vibration absorber subsystem for an aircraft model using a bees algorithm based on multi-objective intelligent optimization

This study develops a mathematical model to investigate the behaviour of adaptable shock absorber dynamics for the six-degree-of-freedom aircraft model in the taxiing phase. The purpose of this research is to design a proportional-integral-derivative technique for control of an active vibration absorber system using a hydraulic nonlinear actuator based on the bees algorithm. This optimization algorithm is inspired by the natural intelligent foraging behaviour of honey bees. The neighbourhood search strategy is used to find better solutions around the previous one. The parameters of the controller are adjusted by minimizing the aircraft’s acceleration and impact force as the multi-objective function. The major advantages of this algorithm over other optimization algorithms are its simplicity, flexibility and robustness. The results of the numerical simulation indicate that the active suspension increases the comfort of the ride for passengers and the fatigue life of the structure. This is achieved by decreasing the impact force, displacement and acceleration significantly.     

飞机撞击荷载计算模型中压溃力选取分析

Riera提出的飞机撞击荷载计算模型是一种比较实用的简化模型,大多数研究在进行飞机撞击试验和数值模拟时通常会把试验结果和数值模拟结果与该模型的计算结果进行对比分析。通过介绍分析Riera模型,该模型中撞击荷载包括压溃力和惯性力两部分,因此模型的使用需要确定压溃力大小。为了合理使用Riera模型,梳理了现有压溃力计算公式,各公式给出的压溃力计算结果差别较大,并通过公式推导预测弹体的变形长度和撞击作用时间与试验数据进行对比分析,评价了现有压溃力计算公式,对更适宜于飞机撞击条件下的压溃力计算公式给出了说明,最后讨论了压溃力对撞击荷载曲线的影响,得出压溃力相对于惯性力不能被忽略,对撞击荷载影响较大的结论。     

描述混凝土块体间碰撞性能的冲量模型

采用单摆和垂直轨道装置进行了混凝土块体对心碰撞试验。研究参数包括质量比、初始相对碰撞速度、绝对质量和相对加速度。利用LS-DYNA有限元程序数值再现试验过程。在此基础上选取初始碰撞夹角、有效碰撞面积和混凝土抗压强度为研究参数,进行了补充数值试验。基于试验和补充数值试验结果,经回归分析得到了混凝土块体对心碰撞力学模型。此外,考虑到试验中参数的变化,对试验进行了扩展数值模拟。采用模型得到的结果与扩展数值模拟结果吻合良好。     

横向流体激振力作用下的不平衡离心叶轮转子分岔特性研究

将叶轮转子系统简化为Jeffcott转子，建立了不平衡离心叶轮转子在非线性横向流体激振力和非线线轴承油膜力作用下的振动模型，并推导了系统的无量纲运动方程。运用数值积分法研究了系统的分岔特性。最后分析了横向流体激振力以及叶轮不平质量对离心叶轮系统动力学性能的影响。     

拉索-阻尼器体系振动索力测量法研究

拉索索力的精确测量是索类结构健康监测的一个重要内容。由于阻尼器的存在,已有的不考虑阻尼器的索力识别方法在测量拉索-阻尼器体系索力时精度将受到影响。利用Steffensen不动点迭代法对的拉索阻尼器系统的频率超越方程进行求解,进而给出了一种新的考虑阻尼器因素的索力识别方法,并给出了该方法和其他三种方法在识别拉索阻尼器系统索力时的相对误差表达式。通过数值仿真,研究了拉索参数和阻尼器参数对各方法的影响,比较了各方法的相对误差范围。研究表明,基于频率超越方程数值解法的索力识别方法是进行拉索-阻尼器系统索力识别时的最佳选择。     

考虑边缘效应的扭转微镜的动力响应分析

目前对扭转微镜力学特性方面的研究主要围绕静态特性展开，对于其动态特性的分析，已经给出了非耦合与耦合两种模型，但模型中的静电驱动力与驱动扭矩都是建立在无穷大板电容的基础上。而实际应用中的扭转微镜是有限尺度的，即在边缘处电力线会发生泄漏和弯曲，从而产生边缘效应。引入有限板电容的静电力修正公式，计及边缘效应对扭转微镜动态响应的影响。由于在计及边缘效应后，系统方程的驱动力项比较复杂，不能导出其解析表达式，故采用了数值积分方法进行相关处理，并采用迭代修正齐次扩容精细积分法求解非线性动力方程，得到了稳定、精确的数值解。计算结果显示，动态响应幅值在计及边缘效应后比未计及时要大，且扭转微镜的尺寸参数对边缘效应的影响有很大的关联性。