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薄膜天线航天器刚-柔-热耦合动力学建模与复合控制研究
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作者 陈呈 刘翔 《应用数学和力学》 北大核心 2025年第3期283-297,共15页
大型空间薄膜天线在深空探测、天基预警、对地观测等领域具有广阔的应用前景.由于薄膜天线具有大、轻、柔的显著特征,其动力学与控制问题十分复杂且突出.与此同时,由于天线工作性能的需求,天线在轨运行时必须保持极高的指向精度和形面精... 大型空间薄膜天线在深空探测、天基预警、对地观测等领域具有广阔的应用前景.由于薄膜天线具有大、轻、柔的显著特征,其动力学与控制问题十分复杂且突出.与此同时,由于天线工作性能的需求,天线在轨运行时必须保持极高的指向精度和形面精度.这就要求我们对薄膜航天器进行精细的动力学分析与有效的主动控制设计.该文针对一类平面张拉式薄膜天线进行刚-柔-热耦合动力学建模与复合控制问题的研究.首先,基于非线性有限元方法建立了薄膜天线结构的非线性动力学模型,并对该模型进行了模型降阶.然后,基于非线性降阶模型并考虑空间热环境的影响,采用混合坐标法建立了航天器的刚-柔-热耦合动力学模型.最后,采用合力合成控制方法结合拉索作动的非线性振动控制策略,对航天器的姿态运动和非线性振动进行了同步、复合控制. 展开更多
关键词 薄膜天线 --热耦合动力学建模 非线性振动 复合控制
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刚-柔耦合多体系统动力学建模与数值仿真 被引量:26
2
作者 杨辉 洪嘉振 余征跃 《计算力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2003年第4期402-408,共7页
柔性多体系统动力学传统的混合坐标建模方法忽略了变形位移的高次耦合变形量 ,是一种零次近似方法 [1 ] ,其适用范围受到限制。本文以中心刚体、柔性梁及末端质量组成的刚柔耦合系统为对象 ,考虑了有粘性阻尼及风阻的情况。在柔性梁的... 柔性多体系统动力学传统的混合坐标建模方法忽略了变形位移的高次耦合变形量 ,是一种零次近似方法 [1 ] ,其适用范围受到限制。本文以中心刚体、柔性梁及末端质量组成的刚柔耦合系统为对象 ,考虑了有粘性阻尼及风阻的情况。在柔性梁的纵向变形位移中计及了横向位移引起的轴向变形 ,并采用有限元方法和 Hamilton变分原理导出了系统的刚柔耦合一次近似的动力学方程。该方程充分计及了中心刚体的大范围运动与柔性梁的弹性变形运动的相互耦合 ,并采用一致的方法引入了阻尼因素。文中最后提供了一个比“动力刚化”问题更具有一般性的仿真计算反例 ,进一步说明了零次近似方法在处理某些刚 -柔耦合动力学问题时的缺陷 。 展开更多
关键词 -耦合 多体系统动力学 建模 数值仿真 数学模型 有限元法 风阻 有粘性阻尼
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动力刚化与多体系统刚-柔耦合动力学 被引量:36
3
作者 洪嘉振 蒋丽忠 《计算力学学报》 CAS CSCD 1999年第3期295-301,共7页
首先指出当前柔性多体系统动力学的大量工程研究背景,在回顾柔性多体系统动力学研究进展后指出动力刚化的现象揭示了刚-柔耦合的零次建模方法的局限,认为进一步深入进行柔性多体系统刚-柔耦合动力学的研究是多体系统动力学研究的新... 首先指出当前柔性多体系统动力学的大量工程研究背景,在回顾柔性多体系统动力学研究进展后指出动力刚化的现象揭示了刚-柔耦合的零次建模方法的局限,认为进一步深入进行柔性多体系统刚-柔耦合动力学的研究是多体系统动力学研究的新阶段。文末提出了刚-柔耦合动力学的研究任务。 展开更多
关键词 多体系统 -耦合 动力 动力学
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柔性多体系统刚-柔耦合动力学 被引量:45
4
作者 洪嘉振 蒋丽忠 《力学进展》 EI CSCD 北大核心 2000年第1期15-20,共6页
首先指出大量复杂系统动力学与控制性态分析与优化等工程问题对柔性多体系统动力学领域的进一步需求,在回顾柔性多体系统动力学研究的若干阶段与当前的研究现状后指出:柔性多体系统刚- 柔耦合动力学的研究是多体系统动力学的一个新的... 首先指出大量复杂系统动力学与控制性态分析与优化等工程问题对柔性多体系统动力学领域的进一步需求,在回顾柔性多体系统动力学研究的若干阶段与当前的研究现状后指出:柔性多体系统刚- 柔耦合动力学的研究是多体系统动力学的一个新的阶段.文末提出了刚- 柔耦合动力学的研究任务。 展开更多
关键词 多体系统 耦合 动力 动力学
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刚柔耦合多体系统动力学模型的数值解法 被引量:2
5
作者 陆志华 黄承绪 孙世基 《上海交通大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 1997年第6期65-68,共4页
刚柔耦合多体机械系统动力学微分方程组具有刚性和高频振荡的特点.Gear法通常被认为是求解刚性常微分方程组的经典方法,但当微分方程具有高频振荡的特点时,Gear法失效,因为它不具备A稳定性区域.隐式Runge-Kutt... 刚柔耦合多体机械系统动力学微分方程组具有刚性和高频振荡的特点.Gear法通常被认为是求解刚性常微分方程组的经典方法,但当微分方程具有高频振荡的特点时,Gear法失效,因为它不具备A稳定性区域.隐式Runge-Kutta方法是具有A稳定性区域的方法,但它带来了巨大的计算量.文中用Gil法求解该动力学方程组,效果较理想. 展开更多
关键词 多体系统 动力学 耦合 数值解 机械系统
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考虑刚-柔-热耦合的板结构多体系统的动力学建模 被引量:4
6
作者 张炜华 刘锦阳 《动力学与控制学报》 2016年第5期438-447,共10页
对热载荷作用下中心刚体与大变形薄板多体系统的动力学建模问题进行研究.基于Kirchhoff假设,从格林应变和曲率与绝对位移的非线性关系式出发,推导了非线性广义弹性力阵,用绝对节点坐标法建立了大变形矩形薄板的有限元离散的动力学变分方... 对热载荷作用下中心刚体与大变形薄板多体系统的动力学建模问题进行研究.基于Kirchhoff假设,从格林应变和曲率与绝对位移的非线性关系式出发,推导了非线性广义弹性力阵,用绝对节点坐标法建立了大变形矩形薄板的有限元离散的动力学变分方程.为了考虑刚体姿态运动、弹性变形和温度变化的相互耦合作用,推导了热流密度与绝对节点坐标之间的关系式.引入系统的运动学约束方程,建立了中心刚体-矩形板多体系统的考虑刚-柔-热耦合的热传导方程和带拉格朗日乘子的第一类拉格朗日动力学方程.为了有效地提高计算效率,将改进的中心差分法和广义-α法相结合,求解热传导方程和动力学方程,差分后的方程通过牛顿迭代法耦合求解.对刚-柔耦合和刚-柔-热三者耦合两种模型的仿真结果进行比较表明,刚体运动对温度梯度和热变形的影响显著.此外,本文建模方法考虑了几何非线性项,因此也考虑了热膨胀引起的轴向变形对横向变形的影响. 展开更多
关键词 大变形薄板多体系统 --热耦合 改进的中心差分法
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考虑刚弹耦合作用的柔性多体连续系统动力学建模 被引量:1
7
作者 刘才山 陈滨 王示 《力学与实践》 CSCD 北大核心 1999年第6期21-25,共5页
基于Hamilton原理建立起一般柔性体连续系统的动力学建模方法,进而以水平面内作大范围回转运动的柔性梁为例,在Euler-Bernoulli梁模型的假设前提下,根据轴向不可伸长的柔性梁的几何约束条件;推导出作大范围... 基于Hamilton原理建立起一般柔性体连续系统的动力学建模方法,进而以水平面内作大范围回转运动的柔性梁为例,在Euler-Bernoulli梁模型的假设前提下,根据轴向不可伸长的柔性梁的几何约束条件;推导出作大范围刚体运动的柔性梁连续系统的一致线性化振动微分方程.采用假设模态法对其离散化,导出考虑刚弹耦合作用的柔性梁有限维离散化动力学模型.最后给出仿真算例,验证了该方法的有效性. 展开更多
关键词 耦合 多体系统 动力学 建模
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多柔体系统刚柔耦合动力学有限单元法 被引量:4
8
作者 王玉玲 《山东建筑工程学院学报》 2001年第1期65-70,共6页
传统的多柔体系统动力学建模理论 ,往往基于小变形线性动力学的基本假定 ,采用线性的Cauchy应变理论描述应变—位移关系。但是 ,对于具有刚性旋转的位移场来说 ,Cauchy应变理论并不适用。本文采用Green Lagrange应变理论 ,描述有大位移... 传统的多柔体系统动力学建模理论 ,往往基于小变形线性动力学的基本假定 ,采用线性的Cauchy应变理论描述应变—位移关系。但是 ,对于具有刚性旋转的位移场来说 ,Cauchy应变理论并不适用。本文采用Green Lagrange应变理论 ,描述有大位移运动的梁单元的非线性位移—应变关系 ,通过对应变能的分析和线性化处理 ,建立起相对变形坐标一阶精确的一致线性化的多柔体系统有限元模型 ,仿真算例的结果验证了该方法的有效性和结构中的几何非线性对系统动力学响应的重要作用。 展开更多
关键词 系统 有限元 几何非线性 有限单元法 耦合动力学
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柔性多体系统中的刚-柔耦合动力学
9
作者 蒋丽忠 罗小勇 +1 位作者 周凌宇 刘小洁 《长沙铁道学院学报》 CSCD 北大核心 2001年第1期29-33,84,共6页
基于 Von- Karman变形理论 ,描述了弹性梁中面的耦合变形和大范围刚体运动之间的耦合 ,利用 Jourdain速度变分原理和单向递推建模方法建立了由梁式构件组成的树状柔性多体系统的程式化耦合动力学方程 。
关键词 耦合变形 耦合动力学 大范围运动 单向递推建模 多体系统
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刚-柔-热耦合多体系统的动力学分析 被引量:5
10
作者 王捷 刘锦阳 《应用力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2012年第5期501-507,624,共7页
本文研究了柔性多体系统刚-柔-热耦合动力学特性。以哈勃天文望远镜(HST)为研究对象,基于柔性多体系统动力学理论,考虑了柔性附件弹性变形引起的热辐射边界条件的变化,建立了中心刚体和太阳能毯柔性附件多体系统的刚-柔-热耦合的动力学... 本文研究了柔性多体系统刚-柔-热耦合动力学特性。以哈勃天文望远镜(HST)为研究对象,基于柔性多体系统动力学理论,考虑了柔性附件弹性变形引起的热辐射边界条件的变化,建立了中心刚体和太阳能毯柔性附件多体系统的刚-柔-热耦合的动力学方程。通过对热载荷作用下哈勃天文望远镜多体系统的数值仿真研究了热辐射角、阻尼系数、比热容、支撑梁、太阳能毯之间的轴向力等参数对于柔性附件热颤振的影响;并提出增加结构阻尼、减小支撑梁和太阳能毯之间的轴向力、选择阻尼系数和比热容均较大的支撑梁材料、采用柔度较大的主体桶材料等改善热颤振的措施。 展开更多
关键词 多体系统 --热耦合动力学 热颤振
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气浮台-复合材料层合板多体系统的刚-柔耦合动力学研究 被引量:1
11
作者 周宇航 刘锦阳 +1 位作者 武泽 余征跃 《振动工程学报》 EI CSCD 北大核心 2017年第5期703-712,共10页
基于非线性应变和位移关系,忽略横向剪切变形,用绝对节点坐标法建立了大变形复合材料层合板几何非线性动力学模型。在此基础上,综合考虑层合板风阻和气浮台风阻的影响,建立了气浮台-复合材料层合板多体系统的刚-柔耦合动力学模型。为了... 基于非线性应变和位移关系,忽略横向剪切变形,用绝对节点坐标法建立了大变形复合材料层合板几何非线性动力学模型。在此基础上,综合考虑层合板风阻和气浮台风阻的影响,建立了气浮台-复合材料层合板多体系统的刚-柔耦合动力学模型。为了真实反映物体之间的约束关系,将气浮台和层合板之间的约束表示为面与面的固定约束。在单轴气浮台动力学仿真实验平台上进行了带有角位移驱动的复合材料层合板大变形刚-柔耦合动力学实验,验证了理论模型的正确性。比较了传统的点固定约束与面固定约束的计算结果差异,阐明了面固定约束的合理性。此外,分析了层合板风阻和气浮台风阻对仿真结果的影响,说明了考虑层合板风阻的必要性。 展开更多
关键词 多体系统 -耦合动力学 复合材料层合板 大变形
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柴油机活塞缸套摩擦副润滑和多柔体动力学耦合特性
12
作者 翟旭茂 田新伟 +3 位作者 张传斌 李玉娟 刘硕 崔毅 《上海交通大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第3期324-332,共9页
为研究四冲程车用柴油机活塞-缸套摩擦副的动力学及润滑特性,提出了一种新的活塞-缸套摩擦动力学耦合模型.模型中采用绝对节点坐标公式(ANCF)描述活塞-连杆-曲轴多柔体动力系统,采用平均雷诺方程和微凸体接触理论描述混合润滑模型,基于... 为研究四冲程车用柴油机活塞-缸套摩擦副的动力学及润滑特性,提出了一种新的活塞-缸套摩擦动力学耦合模型.模型中采用绝对节点坐标公式(ANCF)描述活塞-连杆-曲轴多柔体动力系统,采用平均雷诺方程和微凸体接触理论描述混合润滑模型,基于商用软件结合二次开发程序实现仿真计算.对活塞缸套摩擦副的润滑动力学计算分析表明,由于缸内压力和活塞敲击作用,缸套会产生最大值为23.6μm的瞬时变形.与刚体模型相比,考虑部件的弹性变形不仅会使活塞横向位移增加40%,还会使得活塞润滑域出现油膜压力的局部集中.另外,柔体模型的循环平均功耗更小,与刚体模型相比相差17.7%. 展开更多
关键词 活塞-缸套摩擦副 润滑动力学 系统 有限元法 柴油机
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刚-柔耦合动力学系统的建模理论研究 被引量:45
13
作者 刘锦阳 洪嘉振 《力学学报》 EI CSCD 北大核心 2002年第3期408-415,共8页
刚-柔耦合动力学系统的传统的混合坐标方法是零次近似方法,在建模过程中,直接套用的结构动力学的小变形假设,忽略了变形位移的高次耦合变形量.本文对柔性梁建立较零次近似更精确的高次耦合动力学模型,从连续介质力学理论出发,在变形... 刚-柔耦合动力学系统的传统的混合坐标方法是零次近似方法,在建模过程中,直接套用的结构动力学的小变形假设,忽略了变形位移的高次耦合变形量.本文对柔性梁建立较零次近似更精确的高次耦合动力学模型,从连续介质力学理论出发,在变形位移中,计及横向位移引起的轴向缩短,导出变形位移的二次耦合量.用一致质量有限元方法对梁进行离散,基于Jourdain速度变分原理导出大范围运动为自由的柔性梁的刚-柔耦合动力学方程.计算了柔性重力摆的角速度和摆端点的横向变形,揭示零次近似模型和耦合模型的刚-柔耦合动力学性质的根本差异. 展开更多
关键词 -耦合动力学系统 耦合变形量 建模理论 小变形 性梁 连续介质力学 有限元法 Jourdain速度变分原理 重力摆
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柔性体的刚-柔耦合动力学分析 被引量:32
14
作者 刘锦阳 洪嘉振 《固体力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2002年第2期159-166,共8页
对柔性梁的刚 柔耦合动力学特性进行分析 .从连续介质力学理论出发 ,在纵向变形位移中计及了耦合变形量 ,用Jourdain速度变分原理导出了柔性梁的刚 柔耦合动力学方程 .定量地研究了非惯性系下柔性梁的动力学性质 ,比较了在不同转速下... 对柔性梁的刚 柔耦合动力学特性进行分析 .从连续介质力学理论出发 ,在纵向变形位移中计及了耦合变形量 ,用Jourdain速度变分原理导出了柔性梁的刚 柔耦合动力学方程 .定量地研究了非惯性系下柔性梁的动力学性质 ,比较了在不同转速下零次近似模型和耦合模型的振动频率的差异 .为了确定零次近似模型的适用范围 ,引入与转速和基点加速度有关的相关系数 ,提出了零次近似模型的适用判据为相关系数小于 0 .1.在此基础上 ,进一步研究在大范围运动是自由的情况下柔性梁的大范围运动和变形运动的耦合机理 ,计算了带平动刚体的柔性梁的大范围运动规律 ,揭示零次近似模型和耦合模型的刚 -柔耦合动力学性质的根本差异 . 展开更多
关键词 -耦合动力学 性梁 连续介质力学 平动
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含动力刚化项的一般多柔体系统动力学研究 被引量:3
15
作者 金国光 刘又午 +1 位作者 王树新 张大钧 《哈尔滨工业大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2005年第1期101-103,共3页
为获取柔性体的动力刚化项,将任意形状柔性体的非线性变形场表达为直至广义坐标的二阶小量形式.在小变形条件下,用Green应变张量得到了柔性体的耦合形函数.把约束引入多柔体系统,依据Kane方程建立了包含动力刚化项的一般柔性多体系统动... 为获取柔性体的动力刚化项,将任意形状柔性体的非线性变形场表达为直至广义坐标的二阶小量形式.在小变形条件下,用Green应变张量得到了柔性体的耦合形函数.把约束引入多柔体系统,依据Kane方程建立了包含动力刚化项的一般柔性多体系统动力学方程.通过数值仿真算例,界定了传统多柔体系统动力学建模方法的适用范围. 展开更多
关键词 系统 耦合形函数 动力 约束 动力学
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刚柔耦合系统动力学建模新方法 被引量:5
16
作者 王建明 洪嘉振 刘又午 《振动工程学报》 EI CSCD 北大核心 2003年第2期194-197,共4页
作高速大范围运动的机械系统 ,由于运动和变形的耦合将产生动力刚化现象 ,传统动力学理论难以计及这种影响。通过 Kane方程在保证变形广义坐标完全精确到一阶项的前提下建立了系统一阶完备动力学方程。通过与传统动力学方程的对比分析 ... 作高速大范围运动的机械系统 ,由于运动和变形的耦合将产生动力刚化现象 ,传统动力学理论难以计及这种影响。通过 Kane方程在保证变形广义坐标完全精确到一阶项的前提下建立了系统一阶完备动力学方程。通过与传统动力学方程的对比分析 ,揭示了传统建模方法不仅遗失了动力刚度项 ,同时遗失了某些刚柔耦合惯性项。本文提出了一种通过对传统非完备动力学方程的修正以获得一阶完备动力学方程的新方法。 展开更多
关键词 机械系统 耦合系统 动力化现象 动力学建模 KANE方程 动力学方程
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气浮台-薄板刚-柔耦合系统动力学建模和实验研究 被引量:3
17
作者 刘锦阳 邹凡 余征跃 《振动与冲击》 EI CSCD 北大核心 2012年第21期11-14,21,共5页
对气浮台和大变形薄板多体系统动力学建模理论和实验方法进行研究。基于非线性应变和位移关系,从曲率的精确表达式出发,用绝对节点坐标法建立了大变形矩形薄板的动力学变分方程。考虑结构阻尼,建立了气浮台和大变形薄板多体系统的动力... 对气浮台和大变形薄板多体系统动力学建模理论和实验方法进行研究。基于非线性应变和位移关系,从曲率的精确表达式出发,用绝对节点坐标法建立了大变形矩形薄板的动力学变分方程。考虑结构阻尼,建立了气浮台和大变形薄板多体系统的动力学方程。利用非接触式的运动测量仪测量特征点的速度和气浮台的角速度,利用应变仪测量特征点的应变,通过理论和实验结果的数值对比验证了几何非线性动力学模型的正确性。 展开更多
关键词 大变形 -耦合动力学 几何非线性 实验
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刚柔耦合系统动力学研究进展 被引量:41
18
作者 洪嘉振 尤超蓝 《动力学与控制学报》 2004年第2期1-6,共6页
首先简要回顾了柔性多体系统动力学前期研究的3个阶段,针对传统零次近似模型的缺陷提出了新的建模理论,并在新的一次近似耦合模型的基础上,就“动力刚化”问题和刚柔耦合动力学问题中的离散化方法与实验等方面进行研究;研制了供理论研... 首先简要回顾了柔性多体系统动力学前期研究的3个阶段,针对传统零次近似模型的缺陷提出了新的建模理论,并在新的一次近似耦合模型的基础上,就“动力刚化”问题和刚柔耦合动力学问题中的离散化方法与实验等方面进行研究;研制了供理论研究和动力学现象揭示的实验平台.文中对所取得的研究成果进行介绍,文末对今后的研究方向进行了展望。 展开更多
关键词 耦合系统 系统动力学 建模理论 变形理论 多体系统
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刚柔耦合系统动力学建模及分析 被引量:11
19
作者 胡振东 洪嘉振 《应用数学和力学》 EI CSCD 北大核心 1999年第10期1087-1093,共7页
准确预测经历大范围刚体运动和弹性变形的柔性体的行为,是当前柔性多体系统动力学领域关注的主要课题· 基于线性理论的传统方法由于无法计及动力刚化效应,导致在许多实际应用中得到错误的结果· 本文从离心力势场的概念出发... 准确预测经历大范围刚体运动和弹性变形的柔性体的行为,是当前柔性多体系统动力学领域关注的主要课题· 基于线性理论的传统方法由于无法计及动力刚化效应,导致在许多实际应用中得到错误的结果· 本文从离心力势场的概念出发,应用Hamilton原理建立了具有动力刚化效应的刚柔耦合系统的运动方程,证明了该方程解的周期性,并采用了Frobenius方法给出了其精确解的一般形式· 通过算例分析了刚体运动对弹性运动的模态和频率的影响· 展开更多
关键词 耦合系统 建模 动力学 多体系统
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起重机中滑轮绳索系统晃动冲击的动力学仿真研究
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作者 王天堉 齐朝晖 +1 位作者 赵天骄 徐金帅 《振动与冲击》 北大核心 2025年第1期190-197,242,共9页
起重机中的滑轮绳索系统在作业过程中容易出现晃动、倾斜等问题,严重降低了作业效率且增加安全隐患。在处理滑轮与绳索接触状态实时变化的问题时,采用单元节点与物质点绑定的假设导致单元形函数不能精确描述各段圆弧曲线,需要缩小单元尺... 起重机中的滑轮绳索系统在作业过程中容易出现晃动、倾斜等问题,严重降低了作业效率且增加安全隐患。在处理滑轮与绳索接触状态实时变化的问题时,采用单元节点与物质点绑定的假设导致单元形函数不能精确描述各段圆弧曲线,需要缩小单元尺寸,降低了求解效率。引入空间描述方法,以滑轮上接触区域的边界点划分不同接触状态的绳索,采用离散角度的圆弧插值和Hermite插值分别描述接触段绳索和滑轮间绳索的形状,求得各节点物质速度与物质加速度。考虑绳索的轴向变形,依据虚功率原理建立了滑轮绳索系统的动力学方程。通过与动力学仿真软件ADAMS对比验证了所提方法的有效性,对起重设备中常见的滑轮绳索系统进行建模,研究不同绕绳方式、吊重质量和滑轮间距对滑轮架基体晃动和受冲击程度的影响。该研究所提出的滑轮绳索动力学建模方法为工程实践提供了必要的理论支撑。 展开更多
关键词 滑轮绳索系统 晃动冲击 系统动力学 空间描述
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