第42卷第11期 2008年11月
上海交通大学学报
JOU RN AL O F SH AN G HA I JIA OT O N G U N IV ERSIT Y
Vol.42No.11 Nov.2008
收稿日期:2007 10 08
基金项目:国家自然科学基金资助项目(10772113);高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20040248013)
作者简介:洪嘉振(1944 ),男,浙江宁波市人,教授,博士生导师,研究方向:多体系统动力学与控制.电话(T el.):021 ********;
E mail:jzhong@s https://www.doczj.com/doc/0118827691.html,.
文章编号:1006 2467(2008)11 1922 05
刚柔耦合动力学的建模方法
洪嘉振, 刘铸永
(上海交通大学工程力学系,上海200240)
摘 要:对柔性多体系统动力学研究的若干阶段和研究现状进行回顾,对已有的刚柔耦合动力学建模方法进行总结.为了对已有的建模方法进行评价,提出了5项指标:科学性、通用性、识别性、兼容性和高效性,指出现有的建模方法尚无法满足工程实际应用的需要,应研究满足全部评价指标的刚柔耦合动力学建模方法.文中对今后柔性多体系统刚柔耦合动力学的几个研究方向进行展望,包括理论建模、计算方法和试验研究等方面.
关键词:刚柔耦合系统;动力学;建模方法;评价指标中图分类号:O 313 文献标识码:A
Modeling Methods of Rigid Flexible Coupling Dynamics
H ON G J ia z hen, L I U Zhu y ong
(Department of Engineering M echanics,Shanghai Jiaotong Univ er sity,Shanghai 200240,China)Abstract:A brief review about several phases and present status o f flexible multi bo dy dynamics w as given and the ex isting m odeling m ethods o f r ig id flex ible coupling dynam ics w ere sum marized.Five indexes,in cluding scientific index,g eneral index,identifiable index,compatible index and efficient index ,w ere pro posed to evaluate the ex isted mo deling methods.It show s that the ex isted m odeling metho ds can no t satis fy the actual needs of eng ineer ing application and new modeling m ethod w hich satisfies all the evaluating index es should be inv estig ated.T he r esearch tar gets including modeling theor y,com putational methods and exper im ents w er e sugg ested for the rigid flexible co upling dynamics o f the flex ible multi body sys tems.
Key words:rigid flex ible coupling sy stem s;dy nam ics;mo deling methods;evaluating index
柔性多体系统是指由多个刚体或柔性体通过一定方式相互连接构成的复杂系统,是多刚体系统动力学的自然延伸.考虑刚柔耦合效应的柔性多体系统动力学称之为刚柔耦合系统动力学,主要研究柔性体的变形与其大范围空间运动之间的相互作用或相互耦合,以及这种耦合所导致的动力学效应.这种耦合的相互作用是柔性多体系统动力学的本质特
征,使其动力学模型不仅区别于多刚体系统动力学,也区别于结构动力学.因此,柔性多体系统动力学是
与经典动力学、连续介质力学、现代控制理论及计算机技术紧密相联的一门新兴交叉学科[1 3],它对高技术、工业现代化和国防技术的发展具有重要的应用价值.
根据力学的基本原理,基于不同的建模方法,得
到形式不同的动力学方程,尽管在理论上等价,但是其数值性态的优劣不尽相同.衡量一个学科成熟度的标志之一就是清楚地理解不同方法之间的关系.显然,评价一个刚柔耦合系统动力学模型的优劣的重要标准应该是该模型是否能够可靠与高速处理各种动力学现象.通常解的精确与计算所要付出的代价是一对矛盾,因此有必要对各种建模方法进行对比研究.
本文对柔性多体系统动力学研究的若干阶段和研究现状进行回顾;对已有的刚柔耦合动力学建模方法进行总结;提出了一系列指标对这些建模方法进行评估;并对今后刚柔耦合动力学建模理论的研究方向进行展望.
1 刚柔耦合动力学研究现状
到目前为止,柔性多体系统的建模理论的发展大体可以分为4个阶段.
(1)运动 弹性动力学建模方法.该方法的实质是将柔性多体系统动力学问题转变成多刚体系统动力学与结构动力学的简单叠加,忽略了两者之间的耦合.随着轻质、高速的现代机械系统的不断出现,该方法的局限性日益暴露出来.
(2)混合坐标建模方法.该方法首先对柔性构件建立浮动坐标系,将构件的位形认为是浮动坐标系的大范围运动与相对于该坐标系的变形的叠加.提出了用大范围浮动坐标系的刚体坐标与柔性体的节点坐标(或模态坐标)建立动力学模型.混合坐标建模方法虽然考虑了构件弹性变形与大范围运动的相互影响,但对低频的大范围刚体运动和高频的柔性体变形运动之间的耦合处理得过于简单.从实质上讲这种方法是一字零次近似的刚柔耦合方法.
(3)动力刚化问题的研究.1987年,Kane等[4]对作大范围运动弹性梁进行了研究,指出了在采用零次近似耦合模型处理高速旋转的悬臂梁的动力分析中将产生发散的错误的结论,并提出了动力刚化的概念.近20年来,国内外研究的核心是对上述模型采用各种方法 捕捉动力刚度项,以期对传统混合坐标模型进行修正,得到了高速旋转的悬臂梁不发散的结果.
(4)一般刚柔耦合动力学问题的研究.动力刚化只是刚柔耦合动力学的一种特例情况,其实质是一个非惯性系下的结构动力学问题.近年来,Liu、Yang等[5,6]从连续介质力学的基本原理出发,建立了较传统混合坐标模型(零次近似模型)更精确的一次近似的数学模型.2 刚柔耦合动力学建模方法
柔性体建模方法根据参考坐标系选取的不同,可以归为3类[3]:浮动坐标系方法、随转坐标系方法和惯性坐标系方法.浮动坐标系方法是将多刚体动力学与结构动力学结合的一种方法,这种方法使多刚体动力学软件扩展应用于柔性多体系统成为可能.它可以充分利用模态技术,对于小变形和低速的大范围运动的情况有较佳的计算效率与和精度,是目前柔性多体系统建模使用最广泛的方法.随转坐标系方法源于计算结构动力学.惯性坐标系方法源于大变形非线性有限元.针对动力刚化现象和刚柔耦合问题,国内外学者做了大量的研究,提出了不同的观点和方法,本文将进行概括和总结.
2.1 浮动坐标系方法
(1)初始应力法.Banerjee[7]认为增加的动力刚度是由于大范围运动所产生的惯性力作用在未变形柔性体上所产生的初始应力而引起的,并将其产生的动力刚度称为大范围运动诱发刚度.该方法将大范围运动所产生的惯性力分为12个惯性力和9个惯性力偶,然后采用结构力学中的单位力法形成动力刚度阵,附加到传统的混合坐标动力学模型上形成新的系统动力学方程.该方法适用于任意柔性体且动力刚度阵可以一次形成,无需重复迭代求解,计算效率高,但是该建模方法在理论上未得到严格证明.
(2)几何非线性法.M ayo等[8]认为增加的动力刚度是由于柔性体大挠度产生的应变与位移之间的几何非线性关系所引起,并将其得到的刚度称为几何刚度.该方法在求系统的应变能时引入了应变与位移的几何非线性关系,将非线性项表示为与节点位移有关的几何刚度阵.但是在计算几何刚度阵时需要对位移的非线性项积分,表达式及其复杂,难以应用.
(3)几何变形约束法.Kane等[4]对作大范围运动的悬臂梁的变形位移作了较精确的几何描述,将梁非中线上一点的纵向变形位移用中线上对应点的轴向伸长s和耦合变形项表示,得到动力刚度矩阵是常值矩阵,计算效率较高.在此基础上,Baner jee[7]研究了作大范围运动的板,但这种方法难以推广到柔性多体系统.
(4)变形耦合方法.Zhang等[9]认为柔性体刚度的减弱是由于在运动学关系中过早地对变形的广义坐标进行了线性化,忽略了导致刚度增加的非线性项.因此,为了保留弹性变形耦合的非线性特征,将柔性体的变形场用广义坐标的2阶小量进行描
1923
第11期洪嘉振,等:刚柔耦合动力学的建模方法
述,利用非线性的应变和变形位移的关系式和小变形假设,得到耦合模态形函数的表达式,最终形成一致线性化的动力学方程.由于此方法局限于将变形场用模态形函数来表示,其计算精度取决于模态形函数和真实模态形函数的近似程度,而且取几阶模态也较难确定.为了将此方法与有限元法相结合,王建明等[10]将梁单元内中线上任意点的位移表示为单元节点位移的非线性插值形式,同理求出单元耦合形函数阵,但是由于单元耦合形函数和变形位移只满足部分边界条件,不能保证有限元各单元节点变形位移的连续性.
(5)子结构法.Liu等[11]将柔性体分成若干个子结构,虽然柔性体整体的位移-应变关系是非线性的,但是在子结构内部,位移-应变的线性化假设仍然成立.用假设模态法或线性有限元处理子结构的内部变形,子结构边界公共节点通过定义其位移约束方程来表示相邻子结构之间的位移协调性.但此方法结果明显依赖于子结构的数目,且在子结构的对接面上必须引入约束方程以满足变形的连续性.对复杂的大型结构,此方法的计算工作量非常大.
(6)基于轴线积分的一次近似耦合模型.Liu、Yang等[5,6]提出的一次近似耦合模型是利用中线(面)耦合变形得到耦合变形阵,从而建立更高阶的耦合模型.传统线性变形场就是不计二次耦合项,当柔性体的大范围刚体运动速度不高时,二次耦合项对系统动力学性质影响较小;但是,当大范围刚体运动速度或加速度较大时,二次耦合项与大范围运动的耦合将对系统动力学性质产生大的影响.一次近似模型已经从数值仿真和物理实验两方面验证了变形场的高阶耦合项将对刚柔耦合系统的动力学特性产生大的影响,这也是动力刚化现象产生的本质. 2.2 惯性坐标方法
(1)非线性有限元法.Simo等[12]认为增加的动力刚度项是由于柔性体的大应变而引起.在结构动力学非线性有限元方法的基础上,将柔性体的大范围运动及其变形运动统一采用相对惯性坐标系的节点位移来表示,得到的动力学方程中包含了由于大应变带来的非线性项,然后作为假设将该项化作与大范围运动有关的动力刚度项,发展了能够处理小变形大应变柔性体的非线性有限元模型,但以上方法仅限于梁式构件,计算效率非常低,无法应用到复杂的柔性多体系统动力学分析.
(2)绝对节点坐标方法.Sugiyam aa等[13]提出了绝对节点坐标方法,不再区分物体的刚体运动和变形,采用一致质量有限元对柔性体进行离散.在绝对节点坐标方法中,有限元的位形是在惯性系下的绝对位移坐标和斜率定义的,梁单元和板单元可以作为等参元处理.但是绝对节点坐标法的定义决定了它无法区分刚体运动和弹性变形,即使是小变形也要按照大变形的方法处理.
2.3 随转坐标系方法
随转坐标系方法源于计算结构动力学[14],最早是由Argy ris等提出作为固有模态方法的一部分而发展起来的.随转坐标系随弹性体内部的每个单独的有限元的平均刚体运动而运动.这种方法被用于大位移,大转角和小应变结构的建模.Belytschko等引进单元刚性轮转坐标系或随转坐标系,用于平面连续体和粱型单元的动力学建模.
2.4 综合方法
近年来还有研究者综合以上几类方法进行研究,可称之为综合方法.
(1)浮动坐标系上的绝对节点坐标方法.
Garcia Vallejo等[15,16]在浮动坐标系上采用绝对节点坐标法建模理论,研究了大范围运动已知的平面梁的动力刚化问题.刘锦阳等[17]在浮动坐标系上采用绝对节点坐标法建模理论,在小变形的假设下,建立了做大范围空间运动的柔性梁的刚柔耦合动力学模型.
(2)浮动坐标系上的随转坐标系方法.尤超蓝[18]基于有限元技术,在浮动坐标系上使用随转坐标系建模方法,建立了作大范围运动的平面梁和板的刚柔耦合动力学模型.广义坐标采用浮动坐标系上的节点位移坐标,在随转坐标系上进行插值.插值单元内部的变形只与本单元的节点位移与转角有关,从通用性的角度对一般刚柔耦合动力学建模跨出了很大的一步.
3 建模方法评价
本文从以下几个指标来考核刚柔耦合动力学建模理论:!科学性,应该从严格的理论推导得到,而不是通过猜测捕捉得到;?通用性,即可以推广到不同连续柔性体构件,而不能像已有的一次耦合模型依赖于沿整个轴(面)积分;#识别性,能够区分刚体运动和弹性变形;?兼容性,能够退化为零次耦合模型;%高效性,即具有较快的计算速度.以平面梁为例,表1所示为最近几种建模方法的评价. 下面根据评价指标对建模方法进行分析:
(1)科学性.科学性是所有评估指标中最重要的.初应力法虽然具有较高的计算效率,但是其在未变形柔性体上所产生的初始应力的假定在理论上未
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表1 几种主要建模方法评价
Tab.1 The evaluation of main modeling methods
方法科学性 通用性识别性兼容性高效性初应力法无有有有有变形耦合法(有限元)无有有有有子结构法无有有有无
基于轴线积分的一次近似法有无有有有绝对节点坐标法有有无无无
浮动坐标系的绝对节点坐标法有有有无无
浮动坐标系的随转坐标系方法有有有无无
得到严格证明.变形耦合方法(有限元)中,单元耦合形函数和变形位移只满足部分边界条件,不能保证有限元各单元节点变形位移的连续性.子结构方法没有给出如何选取子结构数目和大小的规则.
(2)通用性.基于轴线积分的一次近似模型揭示了刚 柔耦合的本质,但是其对非线性变形场的描述并不完美.一次近似模型的耦合型函数阵从梁(或板)的端点沿整个轴(面)积分,这就限制了其应用范围只能是直梁、矩形板等具有规则外形的柔性体,对于像中间有孔或不规则形状的板等一般柔性构件,基于轴线积分的一次耦合模型则无能为力.
(3)识别性.采用浮动坐标系方法的都可以区分刚性运动和弹性变形.惯性坐标系方法和随转坐标系方法的建模理论决定了它们不区分刚性运动和弹性变形,不便于进行结构强度分析.
(4)兼容性.零次耦合模型在处理某些刚柔耦合问题时具有足够的精度,计算工作量较小.针对当前处理柔性多体系统动力学问题的方法大多是基于零次耦合模型的现状,刚柔耦合动力学理论应该具备兼容性,在一定条件下能够退化为零次耦合模型.惯性坐标系方法由于采用的广义坐标为单元节点和斜率,无法退化到传统的线性有限元坐标.浮动坐标系上的随转坐标系方法中广义坐标定义在浮动坐标系上,然后在单元随转坐标系上线性插值,但在浮动坐标系上是高度非线性耦合的,也无法退化到零次耦合模型.
(5)高效性.初应力法、基于轴线积分的一次近似方法和变形耦合方法(有限元)质量阵和刚度阵中的与积分相关的项都是一次生成,具有较高的计算效率.
4 结 论
本文综述了柔性多体系统动力学研究的若干阶段和研究现状.总结了已有的刚柔耦合动力学建模方法,并提出5项指标对这些建模方法进行评估.分析发现有的建模方法都无法全部满足5项评价指标,进一步研究刚柔耦合动力学建模理论具有重要的意义,大致有以下几项内容:
(1)刚柔耦合动力学建模理论研究.建立同时满足以上评价指标的通用一次耦合动力学模型,并将其拓展到较复杂的刚柔耦合动力学系统.研究对象包括梁和板等复杂连续柔性体构件;运动形式从平面转动拓展到更复杂的耦合运动形式.研究的关键问题是如何合理地描述复杂结构变形场的高阶耦合项,评价这些高阶变形项与大范围运动耦合的效应.
(2)刚柔耦合动力学计算方法研究.研究刚柔耦合理论应用于柔性多体系统程式化建模,便于计算机实现.再进一步对该模型的计算方法进行研究,提出高速、高精度、稳定的算法成为理论成果转化为生产力的关键.
(3)刚柔耦合系统实验研究.一方面要通过设计新试验来验证刚柔耦合理论,另一方面通过试验可为进一步深入进行理论研究提供重要的启示,从而推动新理论的发展.同时还可以对物理试验和仿真的配合使用做进一步研究.
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1926上 海 交 通 大 学 学 报第42卷
11. 无砟轨道结构动力学理论 11.1 列车－无碴轨道耦合动力学模型 将机车车辆视为由车体、构架及轮对组成的多刚体系统，考虑车体、前后构架及轮对的垂向、横向、沉浮、点头、侧滚、摇头自由度以及车辆悬挂系统中的非线性因素。轮轨之间的法向作用力由赫兹非线性弹性接触理论确定，切向蠕滑力先由Kalker线性蠕滑理论确定，再进行非线性修正。将钢轨视为弹性点支承基础上的Bernoulli-Euler梁，分别考虑左、右股钢轨的垂向、横向及转动自由度，钢轨支承点间隔为扣件间距。轨道板（道床板）垂向视为弹性基础上的弹性薄板，轨道板（道床板）的横向视为刚体运动，考虑平动和转动自由度，凸形挡台及CA砂浆对轨道板（道床板）的提供横向弹性约束。混凝土底座同样视为弹性地基上的弹性薄板。图11.1～图11.7为列车－无碴轨道空间耦合动力学模型。 图11.1 列车－双块式轨道耦合动力学模型（侧视图）钢轨道床板
图11.2 列车－板式轨道耦合动力学模型（侧视图） 图11.3 列车－双块式轨道耦合动力学模型端视图 图11.4 列车－板式轨道耦合动力学模型端视图钢轨 轨道板 混凝土底座
图11.5 路基上双块式轨道－有碴轨道过渡段耦合动力学模型 图11.6 路基上板式轨道－有碴轨道过渡段耦合动力学模型 图11.7 路基上板式轨道－有碴轨道过渡段耦合动力学模型（辅助轨）
11.2 无碴轨道动力学方程 将钢轨视为弹性点支承基础上Bernoulli-Euler 梁，在机车车辆荷载作用下，钢轨的垂向、横向振动以及扭转振动可表示为 ()() ()()()()4242 11,,s w N N r r r ry r r rVi Fi Vj Pj i j z x t z x t E J A F t x x P t x x x t ρδδ==??+=--+-??∑∑ （11.1） ()() ()()()()4242 11 ,,s w N N r r r rz r r rHi Fi Hj Pj i j y x t y x t E J A F t x x P t x x x t ρδδ==??+=--+-??∑∑ （11.2） ()()()22022 11 (,)(,) () s w N N r r r r r rt rTi Si Tj Pj i j x t x t J G J F t x x P t x x t x ?φ?φρδδ??==+=--+-∑∑ （11.3） 采用Ritz 法可将上述偏微分方程转换为关于钢轨正则坐标 () t q zk 、 () t q yk 、()t q tk 的二阶常微分方程组 ()4 11()()() (=1~)s w N N r y zk zk rVi k Fi Vj k Pj Z i j r r E I k q t q t F Z x P Z x k N A l πρ==??+=-+ ???∑∑ （11.4） ()4 11()()() (=1~)s w N N r z yk yk rHi k Fi Hj k Pj Y i j r r E I k q t q t F Y x P Y x k N A l πρ==?? +=-+ ???∑∑ （11.5） ()211 0()()() (=1~)s w N N r rt tk tk rTi k Si Tj k Pj T i j r r G J k q t q t F x P x k N J l πρ==?? +=-Φ+Φ ???∑∑ （11.6） 设轨道板长度为1a ，宽度为1b ，阻尼为1C ，弯曲刚度为1D ，单位面积质量为1m ，轨道板上的扣结点数为P N ，对应的扣结点枕上压力为F rv 。根据弹性薄板的振动理论，轨道板的垂向振动方程可写为 ()()()()()()()()()()()1111111111111 CA P 44424224 2N N rVi Pi Pi j Fj Fj i=1j=1 w x,y,t w x,y,t w x,y,t w x,y,t w x,y,t C m +2+++x x y y D t D t = F t x-x y-y F t x-x y-y D D δδδδ???????????-∑∑ （11.7） 采用双向梁函数组合级数逼近方法来求解轨道板振动方程，轨道板的挠度可设为
自主机器人研究总结报告 一、课题研究背景和意义 工业机器人是最典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起着越来越重要的作用。在国际上，工业机器人技术日趋成熟，已经成为一种标准设备而得到工业界广泛应用，从而也形成了一批在国际上较有影响力的、著名的工业机器人公司，这些公司已经成为其所在地区的支柱性企业。在众多制造业领域中，应用工业机器人最广泛的领域是汽车及汽车零部件制造业。如在毛坯制造(冲压、压铸、锻造等)、机械加工、焊接、热处理、表面涂覆、上下料、装配、检测及仓库堆垛等作业中，机器人都已逐步取代了人工作业。 工业机器人在制造业的应用范围越来越广阔，其标准化、模块化、网络化和智能化的程度也越来越高，功能越来越强，并向着成套技术和装备的方向发展。工业机器人技术正在向智能机器和智能系统的方向发展，其发展趋势主要为：结构的模块化和可重构化；控制技术的开放化、PC化和网络化；伺服驱动技术的数字化和分散化；多传感器融合技术的实用化；工作环境设计的优化。在汽车领域，应用最广泛的是中载和重载机器人，因此开发具有较高负载能力的机器人意义更大。 二、课题研究的总体目标及完成情况
2.1 课题研究的总体目标、考核指标 2.1.1总体目标 开发出具有自主创新的点焊机器人及周边应用成套设备样机，解决机器人产业化过程中的机器人本体优化设计、基于网络的新型控制器技术、系统集成技术等关键技术问题，进行小批量生产，解决机器人产业制造中的加工工艺问题、制造精度问题和机器人整体制造成本降低问题，在此基础上进行产业化，并首先在奇瑞汽车生产线上进行示范应用，逐步形成中国的工业机器人品牌，促进我国新型工业机器人技术的应用和产业发展。同时制订和完善适合我国国情的安全规范和技术规范，在技术上创新，争取获得多项专利。 2.1.2 主要技术指标 其技术指标如下： （1）本体参数要求 在满足机械本体刚度、强度、转动惯量及一些其它技术参数的基础上选择结构简单、机身紧凑的机身设计，以满足轻量化、低成本及可维护性要求。具体参数范围要求如下：
第42卷第11期 2008年11月 上海交通大学学报 JOU RN AL O F SH AN G HA I JIA OT O N G U N IV ERSIT Y Vol.42No.11 Nov.2008 收稿日期:2007 10 08 基金项目:国家自然科学基金资助项目(10772113);高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20040248013) 作者简介:洪嘉振(1944 ),男,浙江宁波市人,教授,博士生导师,研究方向:多体系统动力学与控制.电话(T el.):021 ********; E mail:jzhong@s https://www.doczj.com/doc/0118827691.html,. 文章编号:1006 2467(2008)11 1922 05 刚柔耦合动力学的建模方法 洪嘉振, 刘铸永 (上海交通大学工程力学系,上海200240) 摘 要:对柔性多体系统动力学研究的若干阶段和研究现状进行回顾,对已有的刚柔耦合动力学建模方法进行总结.为了对已有的建模方法进行评价,提出了5项指标:科学性、通用性、识别性、兼容性和高效性,指出现有的建模方法尚无法满足工程实际应用的需要,应研究满足全部评价指标的刚柔耦合动力学建模方法.文中对今后柔性多体系统刚柔耦合动力学的几个研究方向进行展望,包括理论建模、计算方法和试验研究等方面. 关键词:刚柔耦合系统;动力学;建模方法;评价指标中图分类号:O 313 文献标识码:A Modeling Methods of Rigid Flexible Coupling Dynamics H ON G J ia z hen, L I U Zhu y ong (Department of Engineering M echanics,Shanghai Jiaotong Univ er sity,Shanghai 200240,China)Abstract:A brief review about several phases and present status o f flexible multi bo dy dynamics w as given and the ex isting m odeling m ethods o f r ig id flex ible coupling dynam ics w ere sum marized.Five indexes,in cluding scientific index,g eneral index,identifiable index,compatible index and efficient index ,w ere pro posed to evaluate the ex isted mo deling methods.It show s that the ex isted m odeling metho ds can no t satis fy the actual needs of eng ineer ing application and new modeling m ethod w hich satisfies all the evaluating index es should be inv estig ated.T he r esearch tar gets including modeling theor y,com putational methods and exper im ents w er e sugg ested for the rigid flexible co upling dynamics o f the flex ible multi body sys tems. Key words:rigid flex ible coupling sy stem s;dy nam ics;mo deling methods;evaluating index 柔性多体系统是指由多个刚体或柔性体通过一定方式相互连接构成的复杂系统,是多刚体系统动力学的自然延伸.考虑刚柔耦合效应的柔性多体系统动力学称之为刚柔耦合系统动力学,主要研究柔性体的变形与其大范围空间运动之间的相互作用或相互耦合,以及这种耦合所导致的动力学效应.这种耦合的相互作用是柔性多体系统动力学的本质特 征,使其动力学模型不仅区别于多刚体系统动力学,也区别于结构动力学.因此,柔性多体系统动力学是 与经典动力学、连续介质力学、现代控制理论及计算机技术紧密相联的一门新兴交叉学科[1 3],它对高技术、工业现代化和国防技术的发展具有重要的应用价值. 根据力学的基本原理,基于不同的建模方法,得
专题强化动力学连接体问题和临界问题--教师版 [学科素养与目标要求 ] 科学思维： 1.会用整体法和隔离法分析动力学的连接体问题.2.掌握动力学临界问题的分析方 法，会分析几种典型临界问题的临界条件． 一、动力学的连接体问题 1．连接体：两个或两个以上相互作用的物体组成的具有相同加速度的整体叫连接体．如几个物体叠放在一起，或并排挤放在一起，或用绳子、细杆等连在一起，在求解连接体问题时常用的方法为整体法与隔离法． 2．整体法：把整个连接体系统看做一个研究对象，分析整体所受的外力，运用牛顿第二定律列方程求解．其优点在于它不涉及系统内各物体之间的相互作用力． 3．隔离法：把系统中某一物体（或一部分）隔离出来作为一个单独的研究对象，进行受力分析，列方程求解．其优点在于将系统内物体间相互作用的内力转化为研究对象所受的外力，容易看清单个物体（或一部分）的受力情况或单个过程的运动情形． 4．整体法与隔离法的选用求解各部分加速度都相同的连接体问题时，要优先考虑整体法；如果还需要求物体之间的作用力，再用隔离法．求解连接体问题时，随着研究对象的转移，往往两种方法交替运用．一般的思路是先用其中一种方法求加速度，再用另一种方法求物体间的作用力或系统所受合力．无论运用整体法还是隔离法，解题的关键还是在于对研究对象进行正确的受力分析． 例 1 如图 1所示，物体 A、B用不可伸长的轻绳连接，在竖直向上的恒力 F 作用下一 起向 上做匀加速运动，已知 m A＝10 kg，m B＝20 kg，F＝600 N ，求此时轻绳对物体 B的拉力大小（g 取 10 m/s2）．
图1 答案 400 N 解析对 A、B 整体受力分析和单独对 B 受力分析，分别如图甲、乙所示：
柔性机器人的动力学研究 摘要：现代机械向高速、精密、轻型和低噪声等方向发展，为了提高机械产品的动态性能、工作品质，必须十分重视机构动力学的研究。特别对于高速运行的机器人，在外力与惯性力作用下，构件的弹性变形不可忽略，它不仅影响了机构的轨迹精 度和定位精度，破坏系统运行的稳定性和可靠性，同时降低了工作效率和整机的使用寿命。对有害动态响应的消减是机械动 力学研究的重要问题。本文以柔性机器人为例，阐述了柔性机器人动力学分析的研究现状及其发展趋势，对Lagrange法，有 限元法、变Newton-Euler方法、Kane方法等方法进行了详细阐述和比较为柔性机器人的控制和优化设计提供科学基础。 关键字：柔性机器人动力学Lagrange 变Newton-Eule方法Kane方法有限元法 Dynamics of Flexible Manipulators Name: Liu Fuxiu Student ID: 1211303007 (Mechanical Engineering of Guangxi University, Mechanical Design and Theory 12 research) Abstract:The modern machinery to speed, precision, lightweight, and low noise direction, in order to improve the dynamic performance and quality of work of mechanical products, Research into the dynamics must be attached great importance to institutions. Especially for high-speed operation of the robot, under the external force and inertial force, the elastic deformation member can not be ignored, it only affects the body path accuracy and positioning accuracy, destroy the stability and reliability of the system, while reducing the efficiency and whole life. Abatement of hazardous dynamic response is an important issue of mechanical dynamics. In this paper, flexible robot, for example, describes the flexible robot dynamics analysis of present situation and development trend of the Lagrange method, finite element method, variable Newton-Euler method, Kane method and other methods were described in detail and compared to the flexible robot control and optimize the design to provide a scientific basis. Keywords: flexible robot dynamics Lagrange Newton-Euler method FEM method Kane finite element method 1 引言 现代科学技术的发展和进步产生了机器人，机器人是机器进化和技术进步的必然结果，而机器人技术有促进生产力的发展。“机器人”源于捷克语“robota”，意思为工作。美国机器人协会对它的定义是:“机器人是一种可再编程的多功能操作机，可以用各种编程的动作完成多种作业，用于搬运材料、工件、工具和专用装置”。自从1959年的Unimation公司推出第一台工业机器人以来，各种机器人或机械手广泛运用于许多领域。它们可以替代人类劳动，完成各种精密、繁重环境恶劣，甚至是危险的任务。 机器人动力学主要研究机器人机构的动力学，机器人机构包括机械结构和驱动装置，它是机器人的本体，是机器人实现各种功能运动和操作任务的执行机构，也是机器人系统中的被控对象。对机器人动力学的研究，应该说，在机器人一出现就已经开始，且随着机器人技术的发展而不断地加以丰富和积累。机器人动力学与其他一般力学、机构动力学比较，它与现代控制技术和计算技术更为密切相关。设计机器人的控制系统，以及实时控制机器人本身的过程中，不可避免地要运用现代计算技术，因此对于动力学的研究必须适应现代计算技术，并需要解决一系列新的问题。如何合理有效地降低机器人的机构重量，成为削减机器人系统总重量的关键所在，近年来，国际竞争越来越激烈，用户在希望成本降低的同时，对机器人的精度、工作速度、负载能力也提出了越来越高的要求。然而，机构的惯性力和角速度的平方成正比，随着工作速度的不断提高，惯性力将成为柔性机械臂变形的主要影响因素。因此，必须尽可能精确地分析机器人在高速情况下的运动动力学特性，从而有效地提高其精度，以上诸多因素导致了柔性机器人及其设计理论的出现。
某火炮减速器刚柔耦合动力学仿真 王炎，马吉胜 （军械工程学院 武器系统仿真研究所, 河北 石家庄 050003） 摘要：通过CATIA 与LMS https://www.doczj.com/doc/0118827691.html,b Motion 无缝接口实现了实体模型的数据导入。以多刚体动力学和柔性多体动力学理论为基础，建立了包含柔性轴和柔性箱体的方向机刚柔耦合虚拟样机模型。通过仿真分析了柔性体对齿轮啮合力的影响，得到了耦合作用下箱体及齿轮轴的应力和变形，为耦合动载工况下的减速器设计提供了理论依据。 关键词：啮合力；刚柔耦合；模态综合法；https://www.doczj.com/doc/0118827691.html,b Motion. 引言： 减速器是在原动机和工作机之间用于降低速度、增大扭矩的传动装置，其主要部件包括齿轮、轴、轴承和箱体等。减速器输出端啮合力往往很大，当箱体、轴材料刚度较小时，箱体、轴的柔性变形与输出齿轮啮合力的耦合作用不可忽略。某火炮方向减速器如图1所示，齿圈1固定不动，输出端齿轮2与齿圈1啮合带动整个减速器及炮塔绕齿圈1转动。输出端齿轮2采用悬臂梁结构，如果箱体和齿轮轴变形过大则使啮合振动更加恶劣，不能保证传动精度。在设计过程中为减轻减速器重量，欲将箱体由40CrNiMoA 改为ZL205。为探讨采用轻质箱体后，箱体、轴的柔性变形是否会使啮合振动显著增大，本文以柔性多体动力学理论为基础，综合考虑箱体、轴的变形与啮合力的耦合作用，建立了该减速器刚柔耦合动力学模型，通过分析耦合作用下载荷特性，以及箱体、轴动载下的应力和变形验证了减重设计方案的可行性，为箱体和轴等部件的选材及强度校核提供了理论依据。 图1 某火炮方向减速传动示意图 图2 齿轮扭转振动模型 1 啮合力模型 在减速器的虚拟样机建模过程中，难点在于啮合力模型的建立，在多体软件中，啮合力建模主要由以下两种模型： 1、基于齿轮参数的啮合力模型[1,2]。 该方法以齿轮系统动力学为基础，根据齿轮系统动力学中的运动方程，建立齿轮系统扭转振动模型如图2所示。根据牛顿定律可得这一系统的动力学模型： (())()(())p p p m p p g g p p p g g p I R C R R e t R K t f R R e t T θθθθθ????? +??+??= （1） (())()(())g g g m p p g g g p p g g g I R C R R e t R K t f R R e t T θθθθθ????? ??????=? （2） ()(())(())p p g g m p p g g F K t f R R e t C R R e t θθθθ??? =??+??啮合力 （3） 式中：,p g I I 为主、被动轮的转动惯量；,p g θθ为主，被动轮的扭转振动位移；,p g R R 为主、被动轮的基圆半径；()K t 为时变啮合刚度；,p g T T 为作用在主，被动轮上的外力矩；()e t 为齿轮传动误
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２０１０年１１月吴文镜等：机床动力学建模的拓展传递矩阵法７３ 刀。Ｑ＝Ｆ（９）Ｑ＝Ｅ５２２＇Ｊｏ＋Ｅ６２３’１０＋Ｅ７乙１１０＋ 毛毛．１０＋岛乞Ｊ０＋Ｅｌｏｚ７＇ｊ０＋ 层Ｉｌｚ８．１０＋层１２磊．１０＋Ｅ１３ｚＦ＋Ｅ３０ｚＤ（１０） Ｆ＝Ｅ１４互．１０＋Ｅ１５乞．１０＋巨６毛＇ｌｏ＋ 巨７２５’１０＋Ｅ１８乙Ｊ０＋Ｅ９２７＇ｌｏ＋ ￡２０磊＿ｌｏ＋Ｅ２ｌｚ９．１０＋￡２２磊＋Ｅ３ｌ乞（１１） 互．ｏ＝ＥｌＺ６．１＋Ｅ２２７．Ｉ＋Ｅ３２８．１＋层４２９．１（１２） 由式（７）～（１１）得 （五ｏＥ５一Ｅ１４）互Ｚ２．ｏ＋（正ｏＥ６一Ｅ１５）五ｚ３．ｏ＋ （五ｏＥ７一Ｅ１６）五乙．ｏ＋（五ｏＥ８一Ｅ１７）毛ｚ５．ｏ＋ （墨ｏＥ９一Ｅ１８）ｒ６瓦．１＋（互ｏＥｌｏ—Ｅ１９）弓Ｚ７．１＋ （互ｏＥｌｌ—Ｅ２０）磊ｚ８，１＋（正。巨２一Ｅ２１）写ｚ９．１＋ （７ｉｏＥｌ３一Ｅ２２）ｚ－＋（７ｉｏ岛。一百３１）ＺＦ＝０（１３） 由式（６）、（１２）得 互，Ｄ（Ｅｌ乙，Ｊ＋Ｅ２２７．１＋Ｅ３２８．Ｉ＋Ｅ４毛，１）＝ｒｌ，』Ｚ１．，（１４）对于状态矢量磊＇ｌ、历＇ｌ、ｚ８＇１、而，１均为刚体１上的状态矢量，位移元素线性相关，有 易３２７．１＝Ｅ２４互，，（１５） 易３磊，ｌ＝Ｅ２５五，Ｊ（１６） ￡２３２９．１＝Ｅ２６互．，（１７）联合（１３）～（１７）将其写成矩阵的形式有 瓦ｌｚａｌＩ＝０４８×ｌ（１８）ｚａｌｌ＝（乏，ｏ召。别，。罨。烈，。 ｚ五磊。罨。ｚ０砟磊）１ 磊和Ｚｏ分别为激振点和拾振点的状态矢量，兀¨为４８×６９的高维矩阵。 ３．２结合面参数 直线进给功能部件中主要存在直线滚动导轨结合面以及电动机定子与滑板之间的螺栓结合面。对于导轨结合面模型简化为１个法向线性弹簧一阻尼系统、１个横向的线性弹簧一阻尼系统和３个转动方向的扭转弹簧一阻尼系统，以综合反映结合部各方向的微幅振动。通过锤击试验分别测定导轨法向和横向及３个扭转方向的传递函数，定义法向为Ｚ，横向为ｙ，３个坐标轴分别为Ａ、Ｂ、Ｃ。 根据单自南度系统振动方程计算出导轨各方向的接触刚度，根据半功率法计算接触阻尼。最终计算得到导轨结合面参数如表ｌ所示。电动机与滑板之问的螺栓结合面参数如表２所示。导轨结合面参数测试结果见图７。 表ｌ导轨结合部参数结果 参数数值 刚度ｋｒ／（ＭＮ?ｍ‘１２５３ 刚度ｋＪ（ＧＮ?ｍ“１２．１４ 刚度“／（ｋＮ?ｍ?ｒａｄ。。１６９３ ｝９４度ｋｓ／（ＭＮ?ｍ?ｒａｄ‘）１．７３ 刚度ｋｄ（ｋＮ?ｍ?ｒａｄ。１７２７ 阻尼ｃ；ｌ（Ｎ?ｓ?ｍ“１６４１．５ 阻尼ｃＪ（Ｎ?ｓ?ｍ’）ｌ０３４．９ 雕尼“／（Ｎ?ｍ?ｓ?ｒａｄ。）０．１４４７ 阻尼ｃ洲Ｎ?ｍ?ｓ?ｒａｄ。。）２．０１１ 阻尼Ｃｃ／（Ｎ?１ｔｌ?ｓ?ｍｄ１）０９６０２ 表２螺栓结合部参数 参数数值 刚度ｋ，／（ＧＮ?ｍ。。１ｏ．２５ 刚度ｋ，Ｊ（ＧＮ?ｍ’）０，２５ 刚度ｋｆｌ（ＧＮ?ｍ。）２．１０ 阻尼ｃ．ｒ／（Ｎ?ｓ?ｍ。）１２５ 阻尼ｅ，Ｉ（Ｎ?ｓ?ｍ。。１１２５ 阻尼ｃ∥（Ｎ?ｓ?ｍ“）２５０ （ａ）测试现场 ｛｜｜卜Ｍ以旷藩三ｈ∥ 迎卜—ｔ——专—上‘＿妻蔫ｋ套 图７导轨结合面参数测试结果 ３．３滑板有限元自由度缩减模型建－ｆｒ 创建有限元自由度缩减模型首先采用通用有限元软件得到零件的有限元法（Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ，ＦＥＭ）｝－莫－型，根据零件特点选择质量集中点、 结合面连接节点、外力作用节点以及需要考察的节 万方数据
一种流体－结构耦合计算问题的 网格数据交换方法 徐敏，史忠军，陈士橹 （西北工业大学航天工程学院，陕西西安710072） 摘要：气动／结构耦合数值模拟是研究非线性气动弹性的基础。数据交换和插值是非线性气动弹性仿真问题的关键。目前的插值方法不能满足非线性气动弹性问题。本文提出了一种有限元四节点（FEFN）插值方法。该方法是一种局部插值方法，并不依赖于结构模型带来的整体信息。以圆柱体为具体算例，插值结果与有限平板插值方法（IPS）进行了算例对比，表明FEFN方法更能代表计算物体的表面，且计算简单、计算量小、误差小，是一种适合计算流体力学（CFD）／计算结构动力学（CSD）耦合仿真的界面数据交换工具。 关键词：流固耦合，非线性气动弹性，耦合CFD／CSD界面算法 伺服气动弹性分析是多学科之间的耦合问题。其第一步最基础的问题是气动／结构耦合响应的计算。在实际计算中，气动数值计算要求计算网格从物体表面伸展到空间相对计算模型特征长度足够大处，而结构有限元计算要求计算网格从物体表面延伸到物体内部。另一方面，气动数值计算一般在物体表面斜率变化大处，网格的密度需要增大，而结构动力学计算则要求物体表面网格尽量划分均匀，以便能方便地求出刚度矩阵。由此可知，要实现气动／结构耦合计算，重要的是如何设计两网格系统的数据交换界面，即寻求一种方便的、质量高的插值方法，将计算结构动力学得到的变形网格的位移插值到气动网格上，并将气动网格上的气动载荷插值到结构网格节点上。给出一种适合解决这种数据交换界面设计问题 的插值方法是一件艰难的工作。 早在1970年，Harder和Desmarais［1］发展了无限平板样条（IPS）内插值方法，该方法是基于无限平板的偏微分平衡方程的叠加结果。Appa［2］将IPS插值方法改进为有限表面插值（FSS）。Duchon［3］通过最小能量函数法对IPS方法进行了改进，在薄板插值的基础工作方面做了大量的工作，完成了平板三维无规则表面插值。IPS方法和其它插值方法发展到如今已成为处理机翼气动弹性计算数据交换较为流行的方法［4］。然而这些样条插值仅适合于薄板处于最小弯曲能（平衡位置）所确定的位置，并且应在满足流体表面和结构表面一致的条件下才能得到理想的结果。严格地说，在气动弹性耦合仿真中，流体表面和结构表面一致的条件不可能存在。为了处理表面不匹配问题，本文提出了一种有限元四节点（FEFN）插值方法。以圆柱体为具体算例，采用无限平板样条（IPS）方法和有限元四节点（FEFN）方法直接从较稀疏的结构变形网格插值到气动网格，并进行了两种插值结果比较和误差分析。最后，文中对一机翼进行了CFD和CSD耦合计 算网格的插值计算。 1 有限元四节点（FEFN）方法
本文主要介绍使用SolidWorks、HyperMesh、ANSYS和ADAMS软件进行刚柔耦合动力学分析的主要步骤。 一、几何建模 在SolidWorks中建立几何模型，将模型调整到合适的姿态，保存。此模型的姿态不要改动，否则以后的MNF文件导入到ADAMS中装配起来麻烦。 二、ADAMS动力学仿真分析 将模型导入到ADAMS中进行动力学仿真分析。 为了方便三维模型的建立，SolidWorks中是将每个零件单独进行建模然后在装配模块中进行装配。这一特点导致三维模型导入到ADAMS软件后，每一个零件都是一个独立的part，由于工作装置三维模型比较复杂，因此part数目也就相应的比较多，这样就对仿真分析的进行产生不利影响。下面总结一下从三维建模软件SolidWorks导入到ADAMS中进行机构动力学仿真的要点。（1）首先在SolidWorks中得到装配体。（2）分析该装配体中，到底有几个构件。（3）分别隐藏其他构件而只保留一个构件，并把该构件导出为*.x_t 格式文件。（4）在ADAMS中依次导入各个*.x_t 文件，并注意是用part的形式导入的。（5）对各个构件重命名，并给定颜色，设置其质量属性。（6）对于产生相对运动的地方，建议先在此处创建一个marker，以方便后面的操作。否则，三维模型进入ADAMS后，线条繁多，在创建运动副的时候很难找到对应的点。 部件的导入如下图1所示： 图1 文件输入 File Type选择Parasolid； File To Read 找到相应的模型； 将Model Name 切换到Part Name，然后在输入框中右击，一次单击part →create 然后在弹出的新窗口中设置相应的Part Name，然后单击OK →OK 。将一个部件导入，重复以上步骤将部件依次导入。这里输入的技巧是将部件名称按顺序排列，如zpt_1、zpt_2、zpt_3. ，然后在图1中只需将zpt_1改为zpt_2、将PART_1改为PART_2即可。
系统动力学模型介绍 1.系统动力学的思想、方法 系统动力学对实际系统的构模和模拟是从系统的结构和功能两方面同时进行的。系统的结构是指系统所包含的各单元以及各单元之间的相互作用与相互关系。而系统的功能是指系统中各单元本身及各单元之间相互作用的秩序、结构和功能，分别表征了系统的组织和系统的行为，它们是相对独立的，又可以在—定条件下互相转化。所以在系统模拟时既要考虑到系统结构方面的要素又要考虑到系统功能方面的因素，才能比较准确地反映出实际系统的基本规律。系统动力学方法从构造系统最基本的微观结构入手构造系统模型。其中不仅要从功能方面考察模型的行为特性与实际系统中测量到的系统变量的各数据、图表的吻合程度，而且还要从结构方面考察模型中各单元相互联系和相互作用关系与实际系统结构的一致程度。模拟过程中所需的系统功能方面的信息，可以通过收集，分析系统的历史数据资料来获得，是属定量方面的信息，而所需的系统结构方面的信息则依赖于模型构造者对实际系统运动机制的认识和理解程度，其中也包含着大量的实际工作经验，是属定性方面的信息。因此，系统动力学对系统的结构和功能同时模拟的方法，实质上就是充分利用了实际系统定性和定量两方面的信息，并将它们有机地融合在一起，合理有效地构造出能较好地反映实际系统的模型。 2.建模原理与步骤
(1)建模原理 用系统动力学方法进行建模最根本的指导思想就是系统动力学的系统观和方法论。系统动力学认为系统具有整体性、相关性、等级性和相似性。系统内部的反馈结构和机制决定了系统的行为特性，任何复杂的大系统都可以由多个系统最基本的信息反馈回路按某种方式联结而成。系统动力学模型的系统目标就是针对实际应用情况，从变化和发展的角度去解决系统问题。系统动力学构模和模拟的一个最主要的特点，就是实现结构和功能的双模拟，因此系统分解与系统综合原则的正确贯彻必须贯穿于系统构模、模拟与测试的整个过程中。与其它模型一样，系统动力学模型也只是实际系统某些本质特征的简化和代表，而不是原原本本地翻译或复制。因此，在构造系统动力学模型的过程中，必须注意把握大局，抓主要矛盾，合理地定义系统变量和确定系统边界。系统动力学模型的一致性和有效性的检验，有一整套定性、定量的方法，如结构和参数的灵敏度分析，极端条件下的模拟试验和统计方法检验等等，但评价一个模型优劣程度的最终标准是客观实践，而实践的检验是长期的，不是一二次就可以完成的。因此，一个即使是精心构造出来的模型也必须在以后的应用中不断修改、不断完善，以适应实际系统新的变化和新的目标。 (2)建模步骤 系统动力学构模过程是一个认识问题和解决问题的过程，根据人们对客观事物认识的规律，这是一个波浪式前进、螺旋式上升的过程，因此它必须是一个由粗到细，由表及里，多次循环，不断深化的过程。系统动力学将整个构模过程归纳为系统分析、结构分析、模型建立、模型试验和模型使用五大步骤这五大步骤有一定的先后次序，但按照构模过程中的具体情况，它们又都是交叉、反复进行的。 第一步系统分析的主要任务是明确系统问题，广泛收集解决系统问题的有关数据、资料和信息，然后大致划定系统的边界。 第二步结构分析的注意力集中在系统的结构分解、确定系统变量和信息反馈机制。 第三步模型建立是系统结构的量化过程(建立模型方程进行量化)。 第四步模型试验是借助于计算机对模型进行模拟试验和调试，经过对模型各种性能指标的评估不断修改、完善模型。 第五步模型使用是在已经建立起来的模型上对系统问题进行定量的分析研究和做各种政策实验。 3.建模工具 系统动力学软件VENSIM PLE软件 4.建模方法 因果关系图法 在因果关系图中，各变量彼此之间的因果关系是用因果链来连接的。因果链是一个带箭头的实线(直线或弧线)，箭头方向表示因果关系的作用方向，箭头旁标有“+”或“-”号，分别表示两种极性的因果链。
动力学中的连接体(叠体)问题 1．考点及要求：(1)受力分析(Ⅱ)；(2)牛顿运动定律(Ⅱ).2.方法与技巧：整体法、隔离法交替运用的原则：若连接体内各物体具有相同的加速度，且要求物体之间的作用力，可以先用整体法求出加速度，然后再用隔离法选取合适的研究对象，应用牛顿第二定律求作用力．即“先整体求加速度，后隔离求内力”． 1．(物块的叠体问题)如图1所示，在光滑水平面上，一个小物块放在静止的小车上，物块和小车间的动摩擦因数μ＝0.2，重力加速度g＝10 m/s2.现用水平恒力F拉动小车，关于物块的加速度a m和小车的加速度a M的大小，下列选项可能正确的是( ) 图1 A．a m＝2 m/s2，a M＝1 m/s2 B．a m＝1 m/s2，a M＝2 m/s2 C．a m＝2 m/s2，a M＝4 m/s2 D．a m＝3 m/s2，a M＝5 m/s2 2. (绳牵连的连接体问题)如图2所示，质量均为m的小物块A、B，在水平恒力F的作用下沿倾角为37°固定的光滑斜面加速向上运动．A、B之间用与斜面平行的形变可忽略不计的轻绳相连，此时轻绳张力为F T＝0.8mg.已知sin 37°＝0.6，下列说法错误的是( ) 图2 A．小物块A的加速度大小为0.2g B．F的大小为2mg C．撤掉F的瞬间，小物块A的加速度方向仍不变 D．撤掉F的瞬间，绳子上的拉力为0 3. (绳、杆及弹簧牵连的连接体问题)(多选)如图3所示，A、B、C三球的质量均为m，轻质
弹簧一端固定在斜面顶端、另一端与A球相连，A、B间由一轻质细线连接，B、C间由一轻杆相连．倾角为θ的光滑斜面固定在地面上，弹簧、细线与轻杆均平行于斜面，初始系统处于静止状态，细线被烧断的瞬间，下列说法正确的是( ) 图3 A．A球的加速度沿斜面向上，大小为g sin θ B．C球的受力情况未变，加速度为0 C．B、C两球的加速度均沿斜面向下，大小均为g sin θ D．B、C之间杆的弹力大小为0 4．(多选)如图4所示，物块A、B质量相等，在恒力F作用下，在水平面上做匀加速直线运动，若水平面光滑，物块A的加速度大小为a1，物块A、B间的相互作用力大小为F N1；若水平面粗糙，且物块A、B与水平面间的动摩擦因数相同，物块B的加速度大小为a2，物块A、B间的相互作用力大小为F N2，则以下判断正确的是( ) 图4 A．a1＝a2B．a1>a2 C．F N1＝F N2D．F N1 第28卷第5期铁 道 学 报Vol.28 No.5 2006年10月J OU RNAL OF T H E CHINA RA IL WA Y SOCIET Y October2006 文章编号:100128360(2006)0520065206 高速铁路路基结构时变系统耦合动力分析 马学宁1, 梁 波2 (1.兰州交通大学土木工程学院,甘肃兰州 730070;2.重庆交通大学土木建筑学院,重庆 400074) 摘 要:在车辆的走行过程中,上部与下部是相互作用和影响的,因此,轨道交通问题实际上就是线路上下部结 构和车辆系统的体系匹配问题。本文针对列车走行的实际情况,将轨道2路基作为参振子结构纳入车辆计算模 型,建立了包含车辆、钢轨、轨枕、道床和路基作为一体的二系垂向耦合动力分析模型。作为模型的验证,结合京 秦线提速改造工程进行了列车2路基动力仿真计算,得出在不同行车速度条件下,机车车辆通过路基段加固前后 状态下的车体加速度、动轮载、轮重减载率及道床和路基主要动力性能指标,并与实车试验进行对比。试验测试 结果验证了理论模型和分析方法的有效性,为高速铁路路基的动力特性分析和设计提供一些参考。 关键词:车辆;路基;时变;耦合;动力响应 中图分类号:U211.5 文献标识码:A A Time2varying Coupling Model for Dynamic Analysis of High Speed R ail w ay Subgrade MA Xue2ning1, L IAN G Bo2 (1.School of Civil Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou730070,China; 2.School of Civil Engineering and Architect ure,Chongqing Jiaotong University,Chongqing400074,China) Abstract:Track t ransportation can be divided into t he t rack system above and t he t rack system below.While t he t rain is moving,t he part s above and below are interacted and mut ually influenced.Therefore,t he p roblem of t rack t ransportation is act ually t he matching between t he vehicle and t he railway line system.In t his paper, keeping to t he conditions of t rain running and taking t he t rack2subgrade as a part of t he vibration st ruct ure of t he vehicle mode1,a vehicle2subgrade model of t he secondary suspension vertically coupled system including t he vehicle,rail,sleeper,ballast and subgrade is established.Dynamic comp uter simulation of t he vehicle2subgrade system is performed in combination wit h speed raising reconst ruction project of t he Jingqin Railway Line as t he verification of t he model.Regarding t he t rain t ravelling at different speeds and t hrough subgrade sections ahead of and subsequent to strengt hening,dynamic responses such as t he acceleration of t he vehicle,dynamic wheel load and rate of wheel load reduction and t he main dynamic characters of ballast and subgrade are calculated and compared wit h t he experimental result s.The effectiveness of t he t heoretical model and simulation analysis are verified by t he test result s.Reference is made to analysis of t he dynamic characters and design of t he subgrade of high2speed railways. K ey w ords:vehicle;subgrade;time varying;coupling;dynamic response 高速、重载已成为当今铁路发展的趋势,列车速度的提高导致机车车辆对路基结构动力作用明显增大,收稿日期:2006204205;修回日期:2006206227 基金项目:甘肃省自然科学基金资助项目(ZS0312B2520052G); 重庆市教委科学技术研究项目(K J060404); 重庆市自然基金资助项目; 兰州交通大学“青蓝工程”基金资助项目 作者简介:马学宁(1974—),男,宁夏中卫人,讲师,博士研究生。 E2m ail:mxn1974@https://www.doczj.com/doc/0118827691.html, 因而对其提出了更高的要求。近年来对路基结构动力特性的研究,出现了各种计算模型[1～6],分别从不同角度进行了研究,在模型描述方面对机车车辆较为详细,而对轨道、路基部分较为简单,没有将车辆、轨道、路基作为一个系统来加以考虑,大多是在模拟动荷载的基础上分析轨下基础的应力、变形等问题,不能充分反映车2路体系在行进中的动力特性。文献[7,8]对于一系高速铁路路基结构时变系统耦合动力分析
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