空间站大型伸展机构柔性多体动力学数值计算

对用ｋａｎｅ方法建立的空间站大型伸展机构柔性多体动力学数学模型,从数值计算方法和软件实现方面进行了研究。文章采用局部附着浮动坐标系描述各构件的刚体大范围伸展运动;用截断的子结构正则模态描述各构件的柔性变形;用求解刚性方程的ＴＲＥＡＮＯＲ方法进行数值积分;用混合法对系统的微分－代数动力学方程组进行求解。还对空间站伸展机构多体系统的约束方程建立、独立坐标选取和动力学方程的ｓｔｉｆｆ病态问题进行了讨论。并针对空间站伸展机构在驱动展开过程中以及展开完成后的动力学响应进行了算例计算。     

基于非线性变形场的柔性多体系统动力学

采用非线性变形场描述，将变形场表达为变形广义坐标的二阶小量形式，应用Ｋａｎｅ方法 建立了计及动力刚化项的柔性多体系统动力学模型，通过算例的数值仿真证明了本文模型的有效性和广泛的适用性。     

空间站机械臂转位系统动力学建模及特性分析

为分析空间站在应用机械臂转位过程中的动力学特性,采用矢量力学方法推导了考虑偏心量的空间站转位系统动力学模型.使用有限元方法描述柔性臂的弹性变形,应用Newton-Euler法建立空间站机械臂转位系统转动方程,并采用Lagrange法建立柔性臂振动方程;针对柔性机械臂末端带有大负载的特点,将末端弹性变形引起的负载角速度从负载绝对角速度中分离,应用约束模态展开法对动力学方程进行降阶.提出了构造降维矩阵的方法以便于利用空间动力学模型研究机械臂平面转位问题;分析了空间站舱体转位过程中系统的转动惯量、偏心量发生变化的特性.数值仿真结果表明:空间站在转位过程中,系统总体相对于系统质心的转动惯量变化巨大,且偏心量变化范围甚至已超出了空间站核心舱的几何范围.结论可为空间站的控制系统设计提供理论参考.     

基于应变的几何非线性梁建模与分析

柔性机翼在气动载荷作用下产生较大变形，几何非线性因素不容忽视。利用机翼柔性特点，通常采用梁模型进行结构建模。从几何精确梁理论出发，结合Hamilton原理推导了几何非线性梁的动力学平衡方程。不同于经典的位移基有限元，采用梁广义应变作为插值变量，得到广义质量阵、广义阻尼阵、刚度阵及载荷列向量，建立非线性应变梁模型。结合Newmark数值算法和牛顿-拉夫森（Newdon-Raphson）迭代法建立了动力学方程求解算法。针对典型算例，开展静、动力学分析，并分别与有限元软件的仿真结果进行对比。结果表明：在相当计算精度下，所建模型收敛特性更好。为进一步验证所建模型在工程实际应用中的精度和有效性，开展针对典型大展弦比机翼的地面静力试验。试验表明：仿真结果与激光位移计和光纤传感设备测得的变形值具有较高的一致性，验证了所建模型具有较高精度。     

显示多体动力学方程自动编制技术

为高效得到复杂柔性多体航天器的动力学方程解析表达式,研究了系统动力学方程自动编制技术。首先,基于Kane方法推导了构型简单的链状多体系统动力学显式方程;然后,根据方程中各项物理意义和分布规律,开发了适用于树状构型多体航天器的解析动力学方程输出程序,并运用Latex软件对输出文本进行二次编译,增强输出复杂数学公式的可读性。所得方法极大地简化了对此类航天器的建模工作。     

柔性卫星大角度机动的自适应模糊变结构控制

针对柔性卫星大角度机动过程中多种模态的强耦合非线性动力学控制问题,提出了一种自适应模糊变结构姿态控制方法.首先利用拉格朗日方程建立了带柔性附件卫星的动力学模型,然后设计变结构控制器使得系统状态能在有限时间内到达滑模面,并采用自适应模糊系统逼近系统所存在的耦合非线性项.为了削弱变结构控制项所带来的抖动,避免激发柔性附件的高频模态,采用边界层方法来代替开关项,并通过模糊规则表的方法确定边界层的厚度.仿真结果表明,所提出的控制方法既实现了柔性卫星高精度姿态控制,也保证了卫星大角度机动过程中柔性附件弹性模态的有效抑制,系统对各种干扰具有一定的鲁棒性.      

卫星太阳电池阵的刚-柔耦合动力学

研究了卫星太阳电池阵在多点撞击过程中的刚-柔耦合动力学问题．基于Jourdain速度变分原理和单向递推组集方法，建立了柔性多体系统的动力学模型．用Hertz撞击法则建立了撞击力和撞击处的局部变形关系，分别用刚体模型和柔性体模型仿真计算了太阳电池阵的撞击力、撞击时间，揭示了变形运动和大范围运动的相互耦合作用．     

柔性机器人动力学建模的一种方法

提出一种建立具有柔性关节的多柔杆机器人动力学方程的方法.首先给出了柔性关节及柔性臂杆的简化模型,然后利用Kane方法和假设模态法推导出完整的动力学方程并给出了递推公式.在此基础上利用一个算例研究了臂杆柔性与关节柔性对机器人动力学响应的影响.结果表明:所建立的动力学模型更接近于实际的柔性机器人系统;臂杆柔性与关节柔性都起着非常重要的作用,因此在柔性机器人的动力学建模与控制中应充分考虑它们的影响.      

空间全柔性机构位置分析的刚度矩阵法

柔性机构是一种依靠构件元素的弹性变形传输所希望运动的机构.具有集中柔度的全柔性机构是其中的一种类型.由于空间全柔性机构中存在球副,使得目前通用的伪刚体模型法受到限制,为此提出了一种扩展伪刚体模型法.并以6-RSS并联全柔性机构为例对其位置解问题进行了分析:首先利用结构分析中的位移法建立起柔性铰链的刚度模型,同时通过一系列坐标系的建立和转换,建立起机构的变形协调方程、位置闭环方程及静力平衡方程,进而求得机构的位置解.该方法充分考虑了机构中弹性构件的变形,所得结果更接近实际.     

大范围运动柔性航天器的递推有限段法分析

采用有限段法对做大范围运动柔性航天器建模时,针对传统方法求解计算效率低的问题,提出将有限段法与空间算子代数理论结合的高效处理方法。首先采用有限段法对柔性部件进行离散,将系统构造成为带关节柔性的多刚体系统,然后采用空间算子代数理论建立递推动力学方程,保证了分段引入大量广义坐标的情况下计算量仅呈线性增长,很好地克服了分段后系统运算量急剧增长的问题。最后给出双柔性杆机械臂系统的仿真算例,分别采用空间算子代数算法(SOA)与牛顿欧拉法(NE)建模,数值仿真结果表明采用SOA法与NE法建模所得计算结果完全一致。对比两种方法计算时间表明,SOA法计算量与系统自由度呈线性关系,且远小于牛顿欧拉法,仿真结果证实了本文方法的可行性和有效性。     

带约束多体系统Lyapunov指数的数值计算方法

应用第1类Lagrange方程建立的带约束多体系统动力学方程为非线性微分-代数方程组.利用增广法,将其转化成了常微分方程组,并表示成矩阵形式.根据方程的特点,给出了方程的Jacobi矩阵的具体表达式,提高了计算效率.在此基础上,给出了Lyapunov指数的数值计算方法,并通过对具体的树形和非树形多体系统进行Lyapunov指数数值计算,结合相图和Poincare映射对系统的动力学特性进行了分析,表明了该方法的可行性和有效性.      

惯性解耦的多体系统动力学方程

对一类含自由－自由弹性梁的多体系统动力学方程进行了研究，利用多体系统的结构特性和运动特性对其动力学方程进行了简化，使惯性质量矩阵为对角形，得到了惯性解耦的多体系统动力学方程，在方程的数值求解时，可提高计算速度和精度，为多体系统动力学的实时仿真提供方便。     

梁纵向与横向耦合非线性振动分析

纵向振动和横向振动耦合是捆绑火箭等结构中的典型振动现象.以Rayleigh梁为研究对象,通过Hamilton变分原理推导了考虑应变二次项的纵向振动与横向振动耦合控制方程,并用有限元方法对该非线性系统的行为进行了模拟.针对线性系统固有振动频率和非线性纵横耦合动态响应情况,把所得结果与NASTRAN结果进行了比较,二者结果吻合,证明了本方法的正确性.在此基础上,借助振动控制方程和模拟结果,讨论了非线性系统频率与模态的时变特性,非线性动态响应频率成分特性,横向振动和纵向振动相互影响以及共振现象等.研究结果为本方法的实际应用提供了理论基础.      

压电悬臂梁智能元数字仿真模型设计及分析

针对在薄壳结构上层合压电传感器与作动器的智能结构系统进行振动控制问题,提出了一种专用的数字电路化智能元仿真模型进行振动特性分析的新方法.以压电悬臂梁系统为例,利用有限差分方法将主体结构、压电传感信号及压电控制力矩的动力学偏微分方程转化为智能元差分方程;建立基于Newmark-β积分方法的智能元数学矩阵模型;在DSP数字电路系统上设计智能元仿真系统;对不同差分密度和积分时间步长下系统各个模态的输出特性进行了分析,并与相关文献中采用不同控制方法的模拟电路仿真结果进行了比较,取得了更精确的结果.该方法为压电结构系统的振动特性仿真分析提供了新途径.     

非线性动力学系统的精细逐块积分求解方法

针对非线性动力学系统提出了一种精细逐块求解的积分方法。应用此方法,原始的非线性微分方程转换为逐块的代数方程。由于这种隐式积分格式的高精度和稳定性,相比于四阶Runge-Kutta方法和Newmark方法,此方法可以对非线性动力系统应用较大的步长。此外,此方法对具有奇异或接近奇异的系统矩阵的动力学系统仍然有效。数值算例验证了此方法的有效性。     

基于多点约束的大展弦比机翼静气动弹性计算

基于雷诺平均N-S方程和多块结构网格技术计算大展弦比机翼的气动力.机翼采用梁模型结构,利用有限元方法计算结构变形.建立基于多点约束(MPC,Multi-Point Constrain)的气动、结构数据的双向传递方法.采用MPC数据插值方法快捷地实现自主研发的计算流体力学(CFD,Computational Fluid Dynamics)程序和NASTRAN计算结构力学(CSD,Computational Structural Dynamics)软件的耦合计算,发展出可以考虑结构非线性的静气动弹性CFD/CSD耦合计算方法,该方法比只考虑单方向变形的柔度法更精确.开展了某大展弦比机翼的静气动弹性数值计算分析,结果显示只考虑机翼纵向变形而忽略展向变形对计算结果会有一定影响,而该算例几何非线性影响较小.     

树形多体Hamilton系统的Lyapunov指数计算方法

研究了树形多体Hamilton系统Lyapunov指数的数值方法.利用多体Hamilton系统的正则方程和辛算法, 给出了多体Hamilton系统Lyapunov指数的计算方法,该算法具有较好的计算精度和通用性.利用该算法可对系统的运动稳定性进行分析.最后用算例说明了该算法的有效性.      

带间隙伸展机构力学仿真研究

针对带铰接间隙大型桁架式伸展机构的动力学方程,分析了方程的非线性特性,研究了其数值求解方法,以梁和典型伸展机构平面模型为例进行了仿真分析,得到了结构的非线性动响应情况,与实验比较,证实了仿真的有效性。最后给出结论。     

一种功能梯度Timoshenko梁的损伤识别方法

为了获得功能梯度材料的高精度损伤识别方法,本文基于动力学方法,通过对状态空间变量进行变量替换,求得了沿轴向指数分布的功能梯度Timoshenko梁的传递矩阵,通过分析裂纹对结构局部柔度的影响,采用扭转弹簧模拟裂纹对结构局部柔度的贡献,建立了功能梯度Timoshenko梁的表面裂纹传递矩阵,并且推导了复杂边界条件下多跨梁的理论模型。通过将非线性方程组转化为单一目标函数优化问题,并将增广拉格朗日算法与差分进化算法相结合对结构进行损伤识别。计算实例表明,本文提出的方法具有精度高、收敛快等特点,且适用于复杂边界条件下多损伤模型的损伤识别。      

复合材料薄壁梁几何非线性分析

根据复合材料薄壁梁变形的特点,假设截面有面外翘曲,应变沿薄壁厚度方向 呈二次曲线形式变化,采用9节点平面单元模拟复杂薄壁截面,用27节点体单元模拟面外翘 曲变形.在Hamilton原理基础上,采用非线性有限元理论,用T.L.法,将位移等状态量写成 增量形式后,推导出了任意复杂截面薄壁复合材料梁计入剪切翘曲大变形分析的几何刚度矩 阵,建立了一个新的任意复合材料薄壁截面梁几何非线性分析模型,并进行了算例验证.算 例表明,建立的模型正确,能够进行复合材料薄壁梁几何非线性分析;截面翘曲对复合 材料梁的变形影响明显;与相关文献做比较,说明了模型的优越性.