跳伞着陆冲击的多体系统仿真分析方法

探讨跳伞着陆冲击过程中人体模型的多刚体系统动力学建模方法,介绍多刚体系统理论中Kane方法的基本原理,用Kane方法建立跳伞着陆冲击的二维人体模型,模拟人体在跳伞着陆冲击载荷作用下的运动学特征,计算出人体各段承受的着陆冲击力,并与相关试验结果进行比较,论证了Kane方法用于跳伞着陆冲击仿真分析的可行性.     

全机低速颤振模型刚体运动稳定性研究

针对全机低速颤振风洞试验中存在的模型刚体不稳定现象,建立颤振模型刚体运动学一般性方程。运用稳定性原理判别模型系统的稳定性类型,并求解出不稳定风速,分析了一些因素对模型稳定性的影响规律,给出了模型静、动不稳定性发生转换与物理特性之间的关系,同时可进行悬挂系统及配重体系的设计,以保证全机低速颤振风洞试验的顺利进行。     

人体步态的动力学建模与仿真

把人体看作由13个刚体铰接所组成的多刚体系统,采用逆动力学方法建立起人体行走的动力学方程,以步态实验所得运动学数据为输入,计算出人体行走过程中各关节所受肌肉力矩、关节反作用力以及地面对人体的反作用力等动力学参数,并通过仿真分析,验证了建模方法的有效性。     

一种伞式可折叠柔性变胞机构的设计分析研究

 柔性变胞机构是一种依靠柔性构件变形实现构态变化的机构，利用柔性机构的某些特性可以综合提高变胞机构的性能和效率。提出一种伞式可折叠柔性变胞机构，该机构综合了变胞机构和柔性机构两大特点。利用伪刚体模型理论对该机构进行拓扑学，运动学及稳态分析。最后，对该机构进行运动学仿真，结果表明伪刚体模型法适合于柔性变胞机构的分析与设计。     

空间机械臂建模及分析方法综述

综述了国内外空间机械臂的研究现状,分析了空间机械臂运动学及动力学建模和分析方法,比较了主流的空间机械臂及其多体系统(含多刚体,多柔体及刚柔耦合)范畴的方法,指出了它们各自的优缺点,得出了浮动坐标系下Lagrange法结合有限元方法更加适合考虑柔性的空间机械臂的动力学建模及分析的结论。     

空间多刚体系统编队及姿态的协同综合控制

针对由多个非线性系统组成的多子系统的协同控制问题,给出了一种基于输出反馈的协同控制律的设计方法,并将其应用于空间多个刚体的编队控制和姿态的协同控制系统中,给出了空间多刚体系统编队控制及姿态协同控制问题有解的充分条件,设计了多刚体编队及姿态稳定的协同综合控制律。仿真结果表明,这种控制方法是有效的、可行的,所设计的控制器能够使整个刚体系统在空间运行过程中保持一定的队形,并且同时稳定控制描述各个刚体系统姿态的四元数。     

基于Kane方法的双旋弹飞行动力学建模及仿真

针对双旋弹飞行动力学建模,提出了基于Kane方法建立树形多刚体系统动力学方程的方法.分析了双旋弹后体和前体的运动,并分别建立了其动力学方程,综合得到了双旋弹的七自由度飞行动力学方程.基于四元数转换,建立了双旋弹转动运动学方程.通过编程对双旋弹的无控和有控运动特性进行了仿真分析.结果表明,双旋弹无控时以小迎角稳定飞行;有控飞行时弹体产生配平迎角,且纵向和横向修正会出现交叉耦合.     

实现刚体姿态系统干扰近似解耦的控制器

采用四元数法描述了刚体姿态系统。根据非线性系统干扰近似解耦问题有解的充分条件，考虑到刚体姿态系统的串联结构，利用反推法设计了能够实现刚体姿态系统干扰近似解耦的控制器。仿真结果表明，所设计的控制器对刚体姿态系统的参数摄动具有一定的鲁棒性，对系统可能受到的干扰具有较好的抑制能力。     

多体链的动力学方程

 多刚体系统的动力学方程的建立,已经比较成熟。对于刚体与弹性体的混台多体系统,工作还较少。Likins和Hughes曾讨论过有太阳帆板的卫星的动力学方和。Hughes还讨论了两端各有一个刚体,中间皆为弹性体的多体链的动力学方程。本文应用虚功形式的d'Alembert原理建立任意多体链的动力学方程。     

离心锤变桨距机构设计与优化研究

针对现有高空飞艇螺旋桨推进系统中,采用变桨距技术重量代价大、能源消耗多的问题,设计一种基于离心力的离心锤变桨距机构,分析该机构的工作原理,并利用ADAMS软件进行机构运动学和动力学仿真分析;对离心锤进行参数化建模,建立约束方程后,以桨距优化角为目标函数,对离心锤的空间位置进行优化.结果表明:当外界条件引起螺旋桨转速变化时,该机构可以很好地实现螺旋桨变桨距功能;在现有平台上,48°的离心锤安装角具有最优的变距效果.     

基于Broyden法的旋翼多体系统气动弹性分析

建立了旋翼多体系统气动弹性模型并给出了一种适合于该模型响应计算的数值计算方法。采用柔性多体系统动力学方法建立旋翼气动弹性模型,利用驱动约束显著简化约束方程形式,集成大变形桨叶模型,准确考虑变形的非线性,适合于对采用柔性结构的先进旋翼进行气动弹性分析。基于Broyden法改进隐式积分法积分一步中非线性方程的求解,避免求取切线矩阵和矩阵求逆运算,保持隐式积分法具有较好稳定性的同时提高计算效率,解决了旋翼多体系统气动弹性力学方程隐式表达且具有较强非线性和较高刚性比造成的响应计算困难。通过模型旋翼桨叶响应计算验证了结构模型与气动弹性响应求解方法。采用建立的气动弹性模型计算悬停和前飞状态旋翼气动弹性稳定性,与试验结果对比验证了模型的正确性。研究了不同的稳定性计算方法、桨叶结构模型和入流模型等对悬停和前飞稳定性计算的影响,结果表明本文所采用的结构、气动模型及气动弹性稳定性计算方法提高了气动弹性稳定性分析精度。     

基于多体动力学的旋翼模型与气弹稳定性

针对无轴承等先进旋翼结构特点,建立了基于柔性多体系统动力学方法的旋翼气弹分析模型.旋翼各构件建模相互独立,便于组成不同构型旋翼,适合于新构型旋翼气弹分析.分析模型集成了适合于旋翼气弹分析的隐式大变形桨叶模型,构件动力学方程增加了铰链动力学方程,统一约束方程形式,改进了角运动约束方程,避免连续旋转引起的奇点问题.应用分析模型计算无铰式旋翼和无轴承旋翼的气弹稳定性,分析结构参数对旋翼气弹稳定性的影响.分析结果表明模型能准确计算结构弹性变形的耦合及非线性,提高旋翼气弹稳定性分析精度.      

受约束多刚体系统动力学的计算机辅助分析

 以Newton-Euler法为基础建立了受约束多刚体系统动力学的一种新的递推算法,采用奇异值分解(SVD)对约束系统动力学方程缩聚求解。编制了计算机辅助分析通用程序CADACMS。     

挠性多体系统的一般动力学模型

 考虑n个互相连结的空间树形挠性多体系统,不妨按照Ho的直接路思想对系统分层标号,并选取体1为系统的主体,所有直接路均是相对体1而言的。如图1所示,选取O_Ex_By_Ez_B为地心惯性系,而O₀为整个系统的质心,O₀x₀y₀z₀为参考坐标系,系O₁x₁y₁z₁固连在主体1上,而系O_iX_iy_iZ_i（2≤i≤n）的原点在体i与其直接内连体的铰结点处,并固连在体i上,铰链点O_i允许有三自由度平动和三自由度转动,为了方便,也将O₀和O₁点看作两个虚设的铰链点。     

基于3RRS-Bricard复合空间捕获系统运动学分析

面向跨尺度、目标多样化的空间捕获任务,融合Bricard和3RRS机构的折展特性和几何特点对复合捕获系统运动学进行了分析。基于捕获系统的自由度和构型特点分析,通过构建Bricard与3RRS间的转换关系实现了捕获系统各机构间的运动学解耦。根据六棱柱模型,引入Bricard虚拟顶点,设计了面向复合空间捕获系统的运动学求解方法。在仿真环境下搭建捕获系统的运动学和动力学模型,并开展针对动态捕获目标的轨迹跟随实验。通过与基于闭环约束的阻尼最小二乘法（DLS）对比,验证了该运动学求解算法的有效性和先进性。实验结果表明,捕获系统可实现平稳的协同控制,运动过程中位置跟随精度优于4 mm,姿态精度优于0.035 rad。     

自由漂浮空间机器人点到点避奇异运动控制方法

针对具有冗余机械臂的自由漂浮空间机器人（Free Floating Space Robot, FFSR）点到点避免奇异性规划和控制问题,提出了一种冗余FFSR的点到点避免奇异控制方法。首先,该方法基于离散状态依赖李卡提方程（DSDRE）控制器设计方法,利用FFSR的动力学和运动学方程实现了FFSR系统方程的伪线性重构;然后,基于伪线性重构系统及DSDRE状态调节器设计方法实现了FFSR的关节角速度和末端位姿的同时跟踪控制;其次,根据跟踪控制器对FFSR广义雅克比矩阵（GJM）行满秩的设计要求,定义FFSR的奇异性判别依据,构造了避奇异约束函数;再次,由于冗余FFSR系统具有多逆运动学解特点,考虑关节角及关节角速度约束,结合避奇异约束函数设计了FFSR的期望轨迹在线规划器,进一步将设计的跟踪控制器与规划器相结合提出了冗余FFSR末端点到点避奇异运动控制方法。最后,为验证所提方法的有效性同时考虑简化计算,采用平面4连杆FFSR模型进行数值仿真,仿真结果表明所提点到点避奇异运动控制方法能够有效实现冗余FFSR系统的点到点避奇异运动。     

构架式可展天线机构自由度分析——拆杆等效法

针对四面体构架式可展天线机构的多环耦合特性,提出了一种空间多环耦合机构的自由度分析方法——拆杆等效法。首先拆除四面体基本可展单元机构的耦合约束链,将剩余部分视为一个并联机构,然后应用螺旋理论分析各输出节点的自由度数目及性质,进而构造各输出节点与定节点之间的等效串联运动链,最后复原拆除的耦合约束链得到四面体基本可展单元的等效机构,应用修正的G-K公式计算等效机构的自由度数目,并基于反螺旋理论分析等效机构的自由度性质,从而获得四面体基本可展单元的运动特性。根据四面体基本可展单元的等效机构及其组合方式对最小组合单元及大尺寸构架式可展天线机构的结构进行了化简,并根据其几何特征约束方程推导了最小组合单元及大尺寸构架式可展天线机构的自由度。建立了由27个四面体基本可展单元组成的构架式可展天线机构的仿真模型,对该机构的自由度进行了验证,结果表明提出的拆杆等效法求得的自由度正确,为进一步分析此类天线机构的运动学和动力学奠定了基础,同时为其他类型的空间多环耦合机构的自由度分析提供了一种新的思路。     

Dynamics,stability, and control of a four-cable mount system for wind tunnel test

A four-cable mount system is proposed for full-model wind tunnel flutter tests, which may adjust the pitch and roll attitude of the aircraft scaled model and ensure that the model is not subjected to cable tension. The system provides sufficient support to simulate the free flight of the aircraft by applying appropriate spring stiffness and cable tensions. The proposed four-cable mount system is modeled based on Lagrange mechanics, and its dynamics equations consider aerodynamic effects. The singularity of the system and its bifurcation characteristics under flow conditions are analysed to determine the supercritical bifurcation phenomenon for different tension levels and distances from the front suspension point to the mass centre of the model. The mathematical expressions of the longitudinal flight stability of the cable mount system are derived by linearising the system dynamics equations using small perturbations. The influence of the cable tension, spring stiffness, suspension point position, and other factors on the flight stability of the aircraft are analysed. A feedforward control algorithm is proposed to minimize the total elastic potential energy of the system. The results show that the model is in the level flight state when the elastic potential energy of the four-cable mount system is minimized. A feedback control design method is proposed based on the Lyapunov stability theory to derive the closed-loop stability conditions. The system dynamics model that includes the aircraft rigid body model, flexible cables, pulleys, springs, aerodynamic model, and servo motor control is established using the flexible multibody dynamics method. A multibody dynamics solver and Simulink are used to simulate the attitude adjustment of the model in the wind tunnel and verify the supercritical bifurcation characteristics of the system and the effectiveness of the feedback and feedforward control.     

Position and force control of coordinated multiple arms

A technique is presented for controlling multiple manipulators which are holding a single object and therefore form a closed kinematic chain. The object, which may or may not be in contact with a rigid environment, is assumed to be held rigidly by n robot end-effectors. The derivation is based on setting up constraint equations which reduce the 6×n degrees of freedom of n manipulators each having six joints. Additional constraint equations are considered when one or more degrees of freedom of the object is reduced due to external constraints. Utilizing the operational space dynamic equations, a decoupling controller is designed to control both the position and the interaction forces of the object with the environment. Simulation results for the control of a pair of two-link manipulators are presented     

三自由度3-CS并联平台机构的运动学分析

首先介绍了一种新型的并联机构--三自由度 3-CS并联平台机构的模型。应用螺旋理论分析了该机构的瞬时运动。同时对该机构进行了运动学分析 :给出了操作平台的输出运动参数的 3个运动约束方程和3个独立输出运动参数与 3个独立运动输入参数之间的一阶速度影响系数矩阵,最后给出了求解机构位置正、反解的计算方法。