收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

基于空间算子代数理论的链式多体系统递推动力学研究

熊启家  
【摘要】: 机械多体系统动力学建模是虚拟样机的主要支持技术之一,它是虚拟样机实现仿真、设计制造和控制运行的基础。虚拟样机技术改变了传统以物理样机为基础的设计,大大减少了昂贵而费时的物理样机制造及试验过程,使用户可以直接在计算机上快速分析比较多种设计方案,进行优化设计,在设计的早期及时发现潜在的问题,是提高产品质量、缩短产品开发周期,降低产品开发成本的有效途径。 机械多体系统动力学的建模方法通常有以牛顿——欧拉方程为代表的矢量力学方法;以拉格朗日方程为代表的分析力学方法;和兼有矢量力学和分析力学优点的凯恩方法。尽管这些方法本质上殊途同归,但相应软件的计算效率却有高下之分,导致当前国外商业化软件效率不高,一般为O(N~3)即系统自由度数目三次方量级的计算量(对凯恩方法为O(N~2)。计算效率不高的原因有二、一是对机械多体系统认识深刻程度不够,停留在“只见树木,不见森林”的层次上;二是算法上应该竭力避免虚运算——与零相加减、与零相乘和重复运算等,但由于多体系统动力学的复杂性、强非线性和人们对其认识现有深度的不够,故未能实现所谓的“精益运算”——每步运算皆为必须,且后续运算应尽能借用已有结果。为突破上述两点多体系统动力学瓶颈,二十世纪九十年代以来,美国NASA科学家G.Rodriguez等人发展了基于空间算子代数(Spatial Operator Algebra,简称SOA)的多体系统动力学方法。其结果在理论上消除了具体操作细节的复杂性,并加深了对多体系统的深刻认识;算法上提高了计算效率,其计算效率为O(N)量级,实践上有效解决了若干美国航天飞行器的分析计算,且可进一步推广到多种工程类型的多体系统。 本文系统地论述了空间算子代数理论体系,基于空间算子代数的多体系统动力学是对工程、科学和应用数学的重大贡献,它通过比拟力学和控制以及信号处理等相关学科,找出这些学科的共同点,把Kalman,Ricatti等发展的计算结构和方法应用到多体系统动力学解算,实现了力学与控制学科的相互渗透,在将来通过不断深入研究,这种学科的交叉与渗透必然会进一步加强,由此可进一步奠定机械电子工程学科完美统一的理论基础。此外基于空间算子代数的仿真软件,例如美国NASA科学家Rodriguez等研究的基于空间算子代数的分析软件DARTS,已成功应用于一系列美国航天飞行器动力学仿真计算,成为美国航天飞行器专用分析软件,几乎所有的美国航天飞行器皆由此软件仿真分析,它多年来为NASA节约近1亿美圆,取得了良好经济效益,并成为NASA97年软件金奖获得者。但由于美国对我们保密,此类软件无处购买,且其原理与方法亦各自分散在有关资料文献中,因此我们必须提炼和总结SOA的基本原理和方法,并在此基础上消化吸收,进一步开发基于空间算子代数的动力学仿真软件,为我国机电工程各有关领域的产品开发提供高效动力学分析工具。 南京航空航天大学博士学位论文 本文的主要研究工作有:整理并总结了完整的空间算子代数理论体系,包括空间算子 的定义:链式刚体系统正、反向动力学递推公式:闭环系统正、反向动力学的空间算子代 数描述;空间算子的七层关系、计算效率与其他方法的比较;柔性空间算子代数理论。我 们将其中重要的关系归纳为空间算子代数的若干定理,并加以分析推导和证明。在描述多 体系统拓扑结构时,本文提出了一种新的广义通路矩阵,它不仅控制数值仿真程序的计算 顺序、而且可以在分支处处理中间结果(如累加广义力、无记忆集成质量等);同时本文 证明广义通路矩阵在描述多体系统拓扑结构时,与其他方法等价。 链式多体系统雅可比的空间算子代数描述。空间算子代数反向动力学研究表明,链式 多体系统雅可比可用空间算子描述为B、必、H的乘积,这是对链式多体系统以及具有串 联结构的工业机器人雅可比的统一表示,雅可比的算子代数描述表达简洁,可省去了上下 标,物理意义明确。由此可见 SOA对多体系统的深刻抽象可见一斑。同时为进一步深入分 析动力学、控制等奠定了坚实的基础。 链式多体系统广义质量及其逆的空间算子代数描述。据空间算子代数反向动力学理 论,以坐标、速度、加速度为变量,分别代入各算子,进行计算机符号推理,可得到与拉 格朗日方法等价的动力学方程,其中包括广义质量、雅可比、离心力哥氏力的空间算子代 数描述等。用空间算子代数描述链式多体系统广义质量具有方法简明、不丢失任何有用信 息的特点。更重要的是链式多体系统广义质量的逆的空间算子代数的描述是形成链式多体 系统正向动力学递推运算的理论基础。 0(N)算法的程序实现,本文在Mathemati。a环境下编制了链式多体系统空间算子代 数符号分析程序,并用其推导了若干算例动力学方程的显示表达;此外,本文还在Delphi 环境下编制了链式多体系统正反向动力学数值分析软件。SOA基本算子只有几个,每个算 子可以表达多达一万个的具体细节运算操作,因此,极大地消除了多体系统动力学的复杂 性,而不丢失任何有用信息,只是把这种信息加以高效地组织,通过几个算子符号提供给 分析者!这样就使得多体系统描?


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 王树新,高超,刘又午,范鹏;基于运动学的机械多体系统动态视觉化研究[J];河北工业大学学报;2000年01期
2 朱利刚;;机械系统动力学研究进展初探[J];江苏科技信息;2010年04期
3 李晶,李明瑞;具有滑移铰约束多体系统的动力分析[J];中国农业大学学报;1998年02期
4 王树新,张海根,黄铁球,刘又午;机器人动力学参数辨识方法的研究[J];机械工程学报;1999年01期
5 范晋伟,关佳亮,王文超,康存锋,张小龙;数控磨床磨削运动精度分析与控制方法的理论研究[J];北京工业大学学报;2001年04期
6 王晓锋,姜兴渭;多体系统动力学的子系统迭代法[J];弹道学报;2001年02期
7 王祺;周凡利;陈立平;;基于笛卡尔方法的多体系统Modelica表示[J];计算机辅助工程;2011年01期
8 王宝元,梁世瑞,周发明,张国平;定轴转动凸轮机构多体系统运动分析[J];机械设计;1999年08期
9 王树新,刘志,刘又午,曹玉波;计及侵入体作用的人体系统碰撞动力学模型研究[J];中国机械工程;2000年06期
10 谷强,唐斌,唐华平;应用转动规范理论建立多柔体系统动力学方程[J];株洲工学院学报;2001年05期
11 唐华平,钟掘;一种复杂机电系统的全局建模方法[J];中南工业大学学报(自然科学版);2002年05期
12 黎勇,冯夏庭,栾茂田,王泳嘉;多体系统非连续变形的弹性及弹塑性分析方法(I)——基本原理[J];岩石力学与工程学报;2004年01期
13 杨娜;马琳琳;赵桂范;;多体系统行人模型及验证[J];武汉理工大学学报(交通科学与工程版);2010年04期
14 朱明;国际多体系统动力学讨论会[J];力学进展;1987年01期
15 陆念力;顾迪民;周贤彪;;复杂多体机构动力学分析的等效有限元法[J];建筑机械;1991年09期
16 芮筱亭,陆毓琪;多体系统振动的传递矩阵法[J];宇航学报;1995年03期
17 原亮明,王成国,刘金朝,梁国平;一种求解多体系统微分-代数方程的拉格朗日乘子方法[J];中国铁道科学;2001年02期
18 范晋伟,关佳亮,王文超,刘又午,章青;数控机床通用空间几何误差建模方法与精密加工指令的生成技术研究[J];江苏机械制造与自动化;2001年04期
19 黎勇,冯夏庭,栾茂田,王泳嘉;多体系统非连续变形的弹性及弹塑性分析方法(II)——数值算例[J];岩石力学与工程学报;2004年01期
20 李晓豁;万向电动叉车静态稳定性的多体解法[J];黑龙江科技学院学报;2005年04期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 丁洁玉;;多体系统动态优化设计[A];第四届全国动力学与控制青年学者研讨会论文摘要集[C];2010年
2 孙金伟;刘建军;王增波;苑健康;杨彬;徐明亮;;海洋工程多体系统非线性耦合分析研究[A];第十五届中国海洋(岸)工程学术讨论会论文集(上)[C];2011年
3 吴景铼;张云清;;求解含不确定参数多体系统的区间方法研究[A];第七届全国多体系统动力学暨第二届全国航天动力学与控制学术会议会议论文集[C];2011年
4 丁洁玉;潘振宽;陈立群;;基于二阶灵敏度分析的多体系统动力学优化设计[A];庆祝中国力学学会成立50周年暨中国力学学会学术大会’2007论文摘要集(下)[C];2007年
5 傅晋;王琪;;对包含摩擦和碰撞的多体系统关于初值连续性的研究[A];庆祝中国力学学会成立50周年暨中国力学学会学术大会’2007论文摘要集(下)[C];2007年
6 贺华;冯奇;;双层隔振系统建模[A];第八届全国振动理论及应用学术会议论文集摘要[C];2003年
7 李彦征;王树新;;数控插齿机的误差建模及仿真分析[A];先进制造技术论坛暨第二届制造业自动化与信息化技术交流会论文集[C];2003年
8 彭慧莲;王琪;;具有固定双面约束单点摩擦多体系统的数值计算方法[A];庆祝中国力学学会成立50周年暨中国力学学会学术大会’2007论文摘要集(下)[C];2007年
9 任喜军;周幸祥;周正威;郭光灿;;置换不变的4-qubit纠缠单调[A];第十三届全国量子光学学术报告会论文摘要集[C];2008年
10 范晋伟;胡勇;谷志敏;刘宏旭;;SK-21数控凸轮磨床几何误差补偿技术的理论研究[A];2005年中国机械工程学会年会论文集[C];2005年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 李彦征;基于多体系统运动学的数控插齿机加工误差分析与实验研究[D];天津大学;2004年
2 邵兵;基于李群李代数的统一开闭环机械多体系统递推动力学研究[D];南京航空航天大学;2010年
3 罗晓明;多体系统中铰内摩擦接触分析[D];大连理工大学;2011年
4 熊启家;基于空间算子代数理论的链式多体系统递推动力学研究[D];南京航空航天大学;2003年
5 刘云平;航天器多体系统姿态动力学与控制的研究[D];南京航空航天大学;2009年
6 孙宏丽;机械系统刚—柔—液耦合多体动力学递推建模研究[D];南京航空航天大学;2011年
7 阎开印;基于多体系统意义下的机车车辆虚拟样机研究[D];西南交通大学;2006年
8 邹建锋;多体静止绕流和振荡流系统的研究:分块耦合法和虚拟体法程序的设计和应用[D];浙江大学;2005年
9 陈礼;滑雪运动生物力学仿真分析[D];大连理工大学;2009年
10 潘科琪;曲梁和板壳结构多体系统刚—柔耦合动力学研究[D];上海交通大学;2012年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 丁楠;柔性多体系统动力学建模方法研究[D];吉林大学;2013年
2 柴宝连;YK5120数控插齿机设计与研究[D];天津大学;2003年
3 曹艳;多体系统动力学方程计算机自动组集求解[D];大连理工大学;2000年
4 王祺;面向Modelica的多体系统笛卡尔方法建模[D];华中科技大学;2011年
5 戴玉伟;基于多体系统传递矩阵法的结构地震响应分析[D];南京理工大学;2013年
6 李欣;简单多体系统动载荷识别技术研究[D];南京航空航天大学;2010年
7 张江华;TK7640数控铣镗床的运动误差分析及其补偿[D];上海交通大学;2007年
8 郭俊峰;关于量子多体系统的波动方程的精确分解研究[D];华中科技大学;2011年
9 石望;弹塑性多体系统的动力学研究[D];上海交通大学;2010年
10 刘明;800MN巨型模锻压机的多体系统动力学建模与仿真研究[D];中南大学;2012年
中国重要报纸全文数据库 前7条
1 安世亚太 马骏;新一代混合刚柔多体动力学分析软件RecurDyn[N];中国航空报;2005年
2 张巍;IBM POWER 科研的坚强后盾[N];中国计算机报;2005年
3 邹丽梅 陈耀群;江苏科大声纳拖曳系统姿态控制研究项目通过鉴定[N];中国船舶报;2005年
4 郑晓沙飞机公司系统公司监事会主席;科学的发展 伟大的实践[N];中国航空报;2009年
5 刘帅;与根系有关的调和分析中的若干问题受关注[N];科技日报;2006年
6 本报记者 裴广江;世界物理年探讨超越爱因斯坦[N];大众科技报;2005年
7 ;从“力学科学”着手解决工程技术问题[N];发展导报;2002年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978