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机器人单足系统沙土跳跃刚-散耦合动力学分析

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力学学报 2022年第12期54卷 3486-3495页

作者：孙昊刘铸永刘锦阳上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院水动力学教育部重点实验室上海200240

在行星探索过程中涉及探测器在星壤上着陆、运动以及收集、存储某些样本材料等问题,因此需要建立探测机器人在沙土上运动的动力学模型,从而优化其系统构型.近年来,对跳跃型探测机器人研究得到了越多越多的关注.本文采用离散元法对颗粒... 详细信息

在行星探索过程中涉及探测器在星壤上着陆、运动以及收集、存储某些样本材料等问题,因此需要建立探测机器人在沙土上运动的动力学模型,从而优化其系统构型.近年来,对跳跃型探测机器人研究得到了越多越多的关注.本文采用离散元法对颗粒场进行建模,以及采用多体动力学方法对机械系统进行建模,对机器人单足系统在沙土上的跳跃问题进行耦合动力学仿真分析.基于经典土力学Prandtl-Reissne理论,从颗粒场受压分层的形式和动量传递出发,对描述颗粒侵入阻力的惯性力动阻力项进行了修正,提出了一种修正的Poncelet公式.通过与离散元仿真结果对比,说明所提出修正公式比原始的Poncelet公式更准确地计算了机械足受到的沙土侵入阻力,尤其在达到一定侵入深度表现出更好的收敛性.最后分析了机械腿足部的不同尺寸和形状对沙土中跳跃效果的影响,给出了锥形足部和柱形足部的体积对跳跃效果影响的近似计算公式.本研究将拓展刚-散耦合动力学理论,并且为新型探测器在行星土壤上运动的系统设计提供技术支撑.

关键词：刚-散耦合多体系统散体颗粒 Poncelet公式动力学分析

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土壤碰撞问题的刚-散耦合动力学分析

动力学与控制学报 2023年第9期21卷 33-40页

作者：孙昊刘铸永上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院上海200240

本文以探测器着陆行星土壤为背景,对土壤碰撞问题进行刚-散耦合动力学建模与仿真分析研究.结合离散元方法和多体动力学方法,对半球壳装置土壤跌落问题进行耦合动力学仿真.通过与实验结果及有限元仿真结果对比,验证所采用离散元方法的有... 详细信息

本文以探测器着陆行星土壤为背景,对土壤碰撞问题进行刚-散耦合动力学建模与仿真分析研究.结合离散元方法和多体动力学方法,对半球壳装置土壤跌落问题进行耦合动力学仿真.通过与实验结果及有限元仿真结果对比,验证所采用离散元方法的有效性.分析了颗粒场中颗粒尺寸、恢复系数、静摩擦系数等参数,对碰撞中物体和颗粒场的碰撞加速度、碰撞持续时间、振动波形等动力学响应的影响.本研究将拓展对刚-散耦合动力学问题的理论认识,为探测器着陆系统的设计提供技术支持.

关键词：刚-散耦合离散元法多体动力学碰撞数值仿真

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接触碰撞动力学的多变量选取方法

力学学报 2014年第2期46卷 318-322页

作者：王检耀洪嘉振刘铸永上海交通大学工程力学系上海200240

在柔性多体的接触碰撞动力学问题中,多变量方法基于附加约束的接触模型,将柔性体的变形用不同变量来描述:接触局部区域的变形用有限元节点坐标描述,非接触局部区域的变形用模态坐标描述,兼顾了计算精度和效率.将该方法推广到三维空间碰... 详细信息

在柔性多体的接触碰撞动力学问题中,多变量方法基于附加约束的接触模型,将柔性体的变形用不同变量来描述:接触局部区域的变形用有限元节点坐标描述,非接触局部区域的变形用模态坐标描述,兼顾了计算精度和效率.将该方法推广到三维空间碰撞问题,对两柔性杆纵向碰撞过程进行动力学仿真,数值结果与实验结果吻合良好,验证了该方法的有效性.针对柔性体各自区域的变量如何选取的问题,研究了节点取法、模态阶数以及材料参数对计算结果精度的影响,寻找到合理的多变量选取方法,保证精度的同时使自由度得到最大程度的缩减.

关键词：柔性多体接触碰撞空间问题多变量选取自由度缩减

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柔性多体系统动力学研究现状与展望

计算力学学报 2008年第4期25卷 411-416页

作者：刘铸永洪嘉振上海交通大学工程力学系上海200240

对柔性多体系统动力学的研究现状进行了概括和总结,主要从柔性体建模方法、刚柔耦合动力学、接触碰撞问题、多物理场耦合、微分代数方程求解技术、控制方法、设计优化及软件开发和实验研究等几个研究方向进行总结,并对未来的研究方向做... 详细信息

对柔性多体系统动力学的研究现状进行了概括和总结,主要从柔性体建模方法、刚柔耦合动力学、接触碰撞问题、多物理场耦合、微分代数方程求解技术、控制方法、设计优化及软件开发和实验研究等几个研究方向进行总结,并对未来的研究方向做了展望。

关键词：柔性多体系统动力学建模理论计算方法试验研究

基于交互模式的柔性体接触碰撞动力学建模方法

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物理学报 2017年第15期66卷 177-185页

作者：王检耀刘铸永洪嘉振上海交通大学工程力学系上海200240

目前对于任意形状的柔性体接触碰撞问题,一般采用有限元离散,通用的建模方法有两类:罚函数法和附加约束法.罚函数法将接触作用视为弹簧阻尼力元,无需求解约束方程,但依赖于碰撞力参数的选取;附加约束法可严格满足接触约束条件,但数值求... 详细信息

目前对于任意形状的柔性体接触碰撞问题,一般采用有限元离散,通用的建模方法有两类:罚函数法和附加约束法.罚函数法将接触作用视为弹簧阻尼力元,无需求解约束方程,但依赖于碰撞力参数的选取;附加约束法可严格满足接触约束条件,但数值求解更为复杂.针对两类接触模型各自的优缺点,提出基于交互模式的建模方法.该方法将整个模型分为局部静力学模块和主体动力学模块,在每个积分步内,局部静力学模块求解接触力,主体动力学模块求解运动学变量,两个模型之间进行位移和力的交互.该方法综合了附加约束法和罚函数法各自的优点,既无需人为选取碰撞参数,又满足局部区域互不嵌入的约束条件,同时数值求解方便.通过杆-板碰撞的实验算例及滑块-滑槽多点碰撞的数值算例,验证了该方法的有效性.

关键词：接触碰撞交互模式法罚函数法附加约束法

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海上横向补给系统多体动力学建模与仿真分析

动力学与控制学报 2022年第5期20卷 34-40页

作者：高一鸣马子琦刘铸永王检耀上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院上海200240

海上横向补给是目前舰船补给的主要方式,通过接收船与发送船之间架设的恒张力高架索进行货物转运.本文利用多体动力学理论建立了海上横向补给系统的动力学模型.该系统由舰船、货物、滑轮以及高架索组成,对舰船、货物和滑轮采用刚体假设... 详细信息

海上横向补给是目前舰船补给的主要方式,通过接收船与发送船之间架设的恒张力高架索进行货物转运.本文利用多体动力学理论建立了海上横向补给系统的动力学模型.该系统由舰船、货物、滑轮以及高架索组成,对舰船、货物和滑轮采用刚体假设,对高架索采用几何精确梁理论进行建模.基于赫兹理论建立了滑轮与高架索之间的接触模型.为提升计算效率,针对恒张力索的特点提出了一种简化的力元模型,并通过与精确模型的对比验证了该简化模型的准确性.利用简化模型,对复杂海况下的补给作业进行了全过程动力学仿真,分析了船舶运动、补给距离、张紧力对转运过程的影响.结果表明在海况条件恶劣、补给距离长、张紧力过小时,无法保证转运过程安全作业.

关键词：横向补给高架索大变形梁多体动力学仿真分析

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卫星应急模式姿态动力学仿真

宇航学报 2007年第5期28卷 1123-1126页

作者：刘铸永洪嘉振上海交通大学工程力学系上海200240

对卫星在应急模式下进行姿态动力学数值仿真。考虑重力梯度和太阳光压,太阳帆板两面反射率的不同,以及存在阴影区情况,建立开环状态下精确的卫星姿态动力学方程。通过对某型号卫星四十种故障模式的数值仿真,发现其姿态在相当长的时间内... 详细信息

对卫星在应急模式下进行姿态动力学数值仿真。考虑重力梯度和太阳光压,太阳帆板两面反射率的不同,以及存在阴影区情况,建立开环状态下精确的卫星姿态动力学方程。通过对某型号卫星四十种故障模式的数值仿真,发现其姿态在相当长的时间内不会发散失稳;重力梯度力矩和太阳光压力矩都是微量,在相当长的时间内对姿态变化起主要作用是飞轮卡死时卫星的姿态角和角速度;制动飞轮的卡死时间对对卫星姿态有显著影响,卡死时间越短,卫星姿态变化越明显。

关键词：卫星姿态应急模式动力学数值仿真

基于两种接触模型的柔性体间多次微碰撞问题研究

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振动与冲击 2018年第11期37卷 202-206页

作者：王检耀刘铸永洪嘉振上海交通大学工程力学系上海200240

由于柔性体的弹性振动,柔性结构间的一次宏观碰撞过程中,可能发生多次"接触-分离-接触"的微碰撞过程。多次碰撞行为往往会对结构造成各种形式的损害。为了能正确预测任意形状柔性体的多次微碰撞过程,基于三维实体有限元模型,分别采用罚... 详细信息

由于柔性体的弹性振动,柔性结构间的一次宏观碰撞过程中,可能发生多次"接触-分离-接触"的微碰撞过程。多次碰撞行为往往会对结构造成各种形式的损害。为了能正确预测任意形状柔性体的多次微碰撞过程,基于三维实体有限元模型,分别采用罚函数法和附加约束法的接触模型,对一柔性杆撞击两端固支梁的问题进行研究,并分析了接触刚度、网格尺寸等参数对两种方法仿真结果的影响。数值结果表明,在罚函数法中,只有通过多次试算得到合适的接触刚度及网格尺寸,才能准确预测出多次微碰撞过程的碰撞次数、碰撞力峰值及碰撞持续时间,而附加约束方法无需选取接触刚度并且对网格尺寸的依赖性较小。

关键词：柔性体多次微碰撞罚函数法附加约束法参数影响

带Stewart平台的航天器刚柔耦合动力学建模与仿真分析

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动力学与控制学报 2022年第6期20卷 76-84页

作者：孔嘉祥王博洋刘铸永郭其威时军委臧旭上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院上海200240 上海宇航系统工程研究所上海201109

本文采用柔性多体系统单向递推组集的建模方法,基于速度变分原理建立了带Stewart平台、柔性帆板和CMG组件的航天器刚柔耦合动力学模型.由于该模型自由度较大,无法满足实时控制的需求,因此建立了简化的Stewart平台等效模型,并通过与柔性S... 详细信息

本文采用柔性多体系统单向递推组集的建模方法,基于速度变分原理建立了带Stewart平台、柔性帆板和CMG组件的航天器刚柔耦合动力学模型.由于该模型自由度较大,无法满足实时控制的需求,因此建立了简化的Stewart平台等效模型,并通过与柔性Stewart平台完整模型对比,验证了所建立的动力学简化模型的正确性与高效性.分析了星体平台运动及柔性帆板的振动对有效载荷动力学响应的影响,指出了设计Stewart平台的微振动抑制方案时不能忽略下平台的运动及柔性附件的振动.本研究为带Stewart平台的航天器的微振动减振设计与高精度指向提供了有效的技术支撑.

关键词： Stewart平台刚柔耦合递推组集方法动力学建模仿真分析