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一种新型五自由度混联机器人动力学建模与性能评价

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机械工程学报 2023年第9期59卷 63-75页

作者：王明昊汪满新南京理工大学机械工程学院南京210094

研究一种新型五自由度混联机器人动力学建模和性能评价方法。该混联机器人的主机构为由一条串接一转动副的1T1R(T:平动,R:转动)平面并联运动链和两条空间无约束主动支链组成的1T2R三自由度并联机构。建立该机器人位置逆解、速度、加速... 详细信息

研究一种新型五自由度混联机器人动力学建模和性能评价方法。该混联机器人的主机构为由一条串接一转动副的1T1R(T:平动,R:转动)平面并联运动链和两条空间无约束主动支链组成的1T2R三自由度并联机构。建立该机器人位置逆解、速度、加速度及其动力学模型,并通过Solidworks motion验证动力学模型的正确性。在此基础上,计及末端转头加减速运动对并联机构驱动关节驱动力的影响,并考虑到此类机构切向和法向运动的差异,基于矩阵奇异值理论分别提出该机器人并联机构切向和法向加减速特性评价指标,揭示关键尺度和结构参数对加减速特性影响规律,为机器人的集成优化设计提供参考依据。最后,通过比对分析验证所提出的新型五自由度混联机器人具有与著名Tricept机器人和Trimule机器人相似的加减速特性。

关键词：混联机器人动力学建模性能评价

基于ED-LSTM的智能汽车神经网络横向动力学建模与控制

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力学学报 2022年第7期54卷 1896-1908页

作者：方培俊蔡英凤陈龙孙晓强王海江苏大学汽车工程研究院江苏镇江212013 江苏大学汽车与交通工程学院江苏镇江212013

车辆动力学建模过程中通常会进行简化和假设,导致模型在某些工况下无法准确反映车辆的实际动态特性,影响控制精度甚至安全性.鉴于此,该文提出了一种基于数据驱动的非线性建模与控制方法,建立了新型神经网络车辆横向动力学多步预测模型,... 详细信息

车辆动力学建模过程中通常会进行简化和假设,导致模型在某些工况下无法准确反映车辆的实际动态特性,影响控制精度甚至安全性.鉴于此,该文提出了一种基于数据驱动的非线性建模与控制方法,建立了新型神经网络车辆横向动力学多步预测模型,实现了智能汽车对参考轨迹的跟踪控制.首先,在分析车辆单轨模型并考虑轮胎非线性和纵向负载转移的基础上,基于编码器-解码器结构设计神经网络横向动力学模型.其中,使用串行排列来扩展微分方程描述不完全的动力学信息,隐藏层神经元学习车辆的高度非线性和强耦合特性,进而提高模型全局计算精度.利用所构建的数据集进行模型训练和测试,结果表明,相比于物理模型,所提出的模型在不同路面附着系数条件下均具有更高的建模精度,具有隐式预测路面摩擦条件能力.其次,利用提出的模型设计轨迹跟踪控制算法,根据车辆稳态转向假设,计算所需的前轮转向角和稳态质心侧偏角,将稳态质心侧偏角纳入基于路径误差的转向反馈中,实现参考轨迹跟踪控制.最后,使用Car Sim/Simulink联合仿真及HIL实验测试进行不同工况试验的对比分析,对所提出的基于神经网络模型的控制算法进行评价,结果表明,该模型能够实现智能汽车在高速下精确的跟踪控制效果,并具有良好的横向稳定性.

关键词：智能汽车动力学建模神经网络轨迹跟踪控制

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气动齿状软体驱动器动力学建模与仿真分析

振动与冲击 2023年第8期42卷 142-151页

作者：苏怡仪张力文徐齐平刘锦阳上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院上海200240 浙江师范大学工学院浙江金华321004

针对发生面内弯曲、超弹性材料气动齿状软体驱动器,从非线性本构关系出发,考虑几何非线性,基于绝对节点坐标法(absolute nodal coordinate formulation,ANCF)建立二维多梁结构的动力学模型。考虑多点接触,采用罚函数法对相邻气腔之间的... 详细信息

针对发生面内弯曲、超弹性材料气动齿状软体驱动器,从非线性本构关系出发,考虑几何非线性,基于绝对节点坐标法(absolute nodal coordinate formulation,ANCF)建立二维多梁结构的动力学模型。考虑多点接触,采用罚函数法对相邻气腔之间的软接触问题建模,避免相邻气腔之间的互相穿透,并能准确模拟相邻气腔从不接触到充分接触的变拓扑过程;相比于ANCF实体单元模型,二维梁模型计算规模小,更加高效。通过气动弯曲试验和ABAQUS仿真,验证理论模型的计算精度;在此基础上研究重力对软体驱动器构型的影响,分析充气速率和最终加载气压值对其动力学响应的影响。

关键词：绝对节点坐标法(ANCF) 气动齿状软体驱动器动力学建模软接触材料非线性试验验证

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共轴双旋翼动力学建模与验证

上海交通大学学报 2022年第3期56卷 395-402页

作者：胡金硕黄健哲中国民航科学技术研究院无人机适航审定中心北京100020 上海交通大学航空航天学院上海200240

建立共轴双旋翼动力学模型可用于共轴多旋翼飞行器的控制器设计、飞行模拟等研究,需要同时兼顾模型的计算实时性和精度.首先,基于伴随理论推导包含旋翼尾迹的全流场诱导速度计算模型.然后,在单旋翼有限状态入流模型基础上进行扩展,建立... 详细信息

建立共轴双旋翼动力学模型可用于共轴多旋翼飞行器的控制器设计、飞行模拟等研究,需要同时兼顾模型的计算实时性和精度.首先,基于伴随理论推导包含旋翼尾迹的全流场诱导速度计算模型.然后,在单旋翼有限状态入流模型基础上进行扩展,建立考虑尾迹倾斜的共轴双旋翼有限状态动力学模型.最后,推导共轴双旋翼悬停状态上下旋翼推力计算公式,并进行试验验证.研究结果表明:所建立的动力学模型计算复杂度在可接受的范围内,推力计算值与测试值在一定转速范围内基本吻合,并可很好地反映出共轴双旋翼推力损失趋势.

关键词：共轴双旋翼动力学建模有限入流流场干涉

考虑非线性本构的非刚性折纸结构动力学建模与分析

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力学学报 2022年第9期54卷 2552-2566页

作者：袁婷婷任昆明方雨桥刘锦阳上海交通大学工程力学系水动力学教育部重点实验室上海200240

折纸结构因其大收纳比、高可控性、可重构、制造装配简单以及设计多样等优势,在航天、生物医学、建筑、机器人、材料科学等工程领域有着广阔的应用前景.随着折纸结构的工程应用越来越广泛,针对低刚度折纸结构的动力学研究愈加重要.本文... 详细信息

折纸结构因其大收纳比、高可控性、可重构、制造装配简单以及设计多样等优势,在航天、生物医学、建筑、机器人、材料科学等工程领域有着广阔的应用前景.随着折纸结构的工程应用越来越广泛,针对低刚度折纸结构的动力学研究愈加重要.本文将非刚性折纸结构等效为带卷簧的空间桁架结构,建立了一种通用的杆–链动力学模型.考虑材料的几何非线性,采用基于Ogden超弹性本构的杆单元来模拟折痕和虚拟折痕,可适用于作大范围运动并具有大变形的折纸结构.引入非线性卷簧来体现折痕的抗弯作用,相较于传统的卷簧本构模型,本文提出的改进的非线性卷簧本构模型具有更强的通用性和鲁棒性,能够有效避免接触碰撞动力学中折叠面的穿透.基于虚功原理,建立了考虑阻尼效应的非刚性折纸多体系统的动力学方程,并采用变步长的广义-α法求解.最后,对三种经典折叠形式的非刚性折纸结构进行动力学仿真,验证了本文提出的杆–链动力学模型的准确性和高效性.通过施加虚拟折痕和修正初始构型,有效解决了刚性折纸模型中展开和收拢过程的锁定问题.与刚性折纸模型相比,杆–链动力学模型具有更好的数值模拟通用性,并能够给出具有大变形张紧构型.在此基础上,揭示了非刚性折纸结构复杂的动力学行为,并对多稳态、瞬态动力学和波动力学特性进行分析.

关键词：非刚性折纸结构动力学建模非线性本构模型大变形多稳态

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船载串并混联海上稳定廊桥动力学建模与分析

中国造船 2023年第1期64卷 146-160页

作者：邱建超陈海泉仇伟晗牛安琪王生海孙玉清大连海事大学轮机工程学院大连116026

设计了一种新型3-UPU/UP-RRP串并混联海上稳定廊桥机构,并对其进行了动力学建模与分析。利用矢量法推导并联机构各构件的速度与加速度,求解得到机构各分支的Jacobi矩阵;运用虚功原理求出3-UPU/UP并联机构的动力学模型,利用牛顿-欧拉迭... 详细信息

设计了一种新型3-UPU/UP-RRP串并混联海上稳定廊桥机构,并对其进行了动力学建模与分析。利用矢量法推导并联机构各构件的速度与加速度,求解得到机构各分支的Jacobi矩阵;运用虚功原理求出3-UPU/UP并联机构的动力学模型,利用牛顿-欧拉迭代动力学方程分别对RRP串联机构中的关节力进行迭代分析,进而得到RRP串联机构的动力学模型。通过理论计算与动力学仿真分析验证了动力学模型的准确性,根据稳定补偿仿真分析得出该补偿方案具有较高的精确度。

关键词：海上稳定廊桥串并混联机构动力学建模虚功原理牛顿-欧拉方程仿真验证

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海上浮式风机的动力学建模与响应分析

船舶力学 2023年第6期27卷 789-802页

作者：邓万如刘利琴李昊赵晶瑞肖昌水天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室天津300072 中海油研究总院技术研发中心北京100028

在恶劣的海洋环境下,浮式风机展现出复杂的动力特性。因此,对海上浮式风机的动力响应进行研究非常重要。本文基于有限元法与若丹速度变分原理,建立了浮式风机的刚-柔耦合动力学模型,依此编写了相应的数值计算程序并验证了程序的正确性... 详细信息

在恶劣的海洋环境下,浮式风机展现出复杂的动力特性。因此,对海上浮式风机的动力响应进行研究非常重要。本文基于有限元法与若丹速度变分原理,建立了浮式风机的刚-柔耦合动力学模型,依此编写了相应的数值计算程序并验证了程序的正确性。以安装在OC4半潜型浮式基础上的NREL-5MW水平轴风机为例,通过对比分析,研究了浮式基础的运动对风机动力特性的影响。结果表明,基础运动通过改变风机在风场中的位置与姿态对气动载荷与叶片变形产生影响。本文研究成果可以为海上浮式风机叶片设计提供一些合理建议。

关键词：浮式风机刚柔耦合动力学建模数值分析

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航空涡轮轴发动机复杂转子的动力学建模方法

中国机械工程 2022年第13期33卷 1513-1520页

作者：王龙凯王艾伦尹伊君金淼衡星中南大学轻合金研究院长沙410083 中南大学高性能复杂制造国家重点实验室长沙410083

为建立涡轮轴发动机复杂转子的动力学模型,基于有限元法和分段线性拟合,采用子结构法对复杂结构进行建模,在对系统自由度进行缩减后,推导出转子系统的运动方程。采用理论分析和试验验证了模型的有效性,分析了燃气发生器转子的振动特性... 详细信息

为建立涡轮轴发动机复杂转子的动力学模型,基于有限元法和分段线性拟合,采用子结构法对复杂结构进行建模,在对系统自由度进行缩减后,推导出转子系统的运动方程。采用理论分析和试验验证了模型的有效性,分析了燃气发生器转子的振动特性。研究结果表明:建立的模型能显著降低整个系统的复杂度,在保证求解精度前提下,可大幅缩短求解时间。

关键词：涡轮轴发动机燃气发生器转子动力学建模有限元法振动特性

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空气悬架客车横向动力学建模和稳定性分析

汽车工程 2022年第11期44卷 1746-1754页

作者：陈龙陈明孙晓强蔡英凤 Pak Kin Wong 吴子强江苏大学汽车工程研究院镇江212013 澳门大学机电工程系中国澳门999078 扬州市奥特瑞汽车电子科技有限公司扬州225299

针对特殊行驶工况下空气悬架客车横向动力学失稳现象的揭示问题,本文中提出一种系统非线性动力学建模和稳定性分析方法。为准确反映空气悬架客车横向动力学演化规律,建立了考虑空气弹簧和轮胎非线性力学特性的系统3自由度动力学模型。... 详细信息

针对特殊行驶工况下空气悬架客车横向动力学失稳现象的揭示问题,本文中提出一种系统非线性动力学建模和稳定性分析方法。为准确反映空气悬架客车横向动力学演化规律,建立了考虑空气弹簧和轮胎非线性力学特性的系统3自由度动力学模型。为实现复杂高维动力学系统的稳定性分析,首先基于中心流形理论对系统进行降维处理,而后对得到的约化系统进行定性性态分析,确定了系统满足鞍结分岔的充分必要条件。设置4种工况对空气悬架客车横向动力学系统在平衡点处的分岔行为进行了相平面分析,掌握了空气悬架客车在不同路面条件下随车速及前轮转角变化的横向动力学失稳演化规律,最后基于整车动力学进行仿真验证表明解析分析结果与仿真分析结果一致,证明本文提出的非线性稳定性分析方法有效可行。

关键词：空气悬架客车动力学建模横向稳定性鞍结分岔点