摘要：输流管道广泛应用于海洋、核电、航空航天等重大工程领域,因管道与流体间的耦合效应,在流体作用下管道会出现屈曲、颤振等失稳行为.一般而言,边界支承对管道动力学特征有着重要影响,不同支承位置显著影响管道的稳定性与振动特性.当前关于管道流固耦合动力学的研究大多集中于单一的直管或规则型弯管(如弧型、半圆型和正弦型等),对于实际工程中常见的复杂构型管道,比如L型、S型和U型等,研究还较为少见.文章基于绝对节点坐标法(absolute node coordinate formulation, ANCF)建立了具有普适性的非线性振动理论模型,可用于解决任意构型和任意支承边界下输流管道动力学问题.以L型、S型和U型3种典型构型输流管道为研究对象,首先开展了收敛性分析,找出合适的计算单元数.然后借助CFD仿真结果与理论模型进行对比验证,计算结果表明,相较于有限元方法,基于绝对节点坐标法建立的理论模型在预测复杂构型输流管道的非线性变形时,具有更高的计算效率.基于该理论模型,研究了简支支承位置对3种构型输流管道的固有频率、屈曲位移和应变特征的影响规律.研究发现,存在最优简支支承位置使得输流管道基频达到最大、屈曲位移和应变的极值达到最小.本研究为提高工程中管道的稳定性与使用寿命提供了理论依据与设计指导.

摘要：压电层合板可以通过对作动器施加电压变形为各种形态,在智能可折叠结构领域具有潜在的应用前景。理解这种结构的大变形作动机理是软体智能结构设计的基础。利用等效单层模型,基于绝对节点坐标法(ANCF),建立了一种柔性压电层合薄板单元。引入了压电材料的本构方程来推导弹性力和压电力,建立了压电层合薄板单元的动力学方程,并对比了在大变形范围内三种曲率表达形式的收敛效果。通过与ABAQUS有限元软件求得的结果进行比较,验证了压电层合薄板单元的正确性,并给出了一些大变形算例。结果表明,在压电材料全覆盖、部分覆盖、多段覆盖等情形下,该单元均能得到较为稳定的结果,表明此单元可以与单层线弹性单元进行耦合。此外还研究了压电层合板受集中力状态下的动态响应。该研究有助于理解受智能压电材料驱动的柔性或软体结构的复杂耦合非线性力学行为。

摘要：针对某航空发动机轴承腔管路结构,提出并验证了一种基于绝对节点坐标法的振动分析方法.通过扩展的拉格朗日方程建立理论模型,综合考虑流固耦合作用,并采用绝对节点坐标法离散非线性运动方程.通过方程解耦实现管路静变形的求解,得到包含广义力矢量与刚度矩阵的静力学方程,并通过节点坐标的数值迭代得到管路的静变形响应.对理论算法进行收敛性分析,确定最佳单元数目.通过流固耦合仿真分析与理论模型的静变形结果对比,验证理论模型的有效性.将非线性运动方程退化为线性方程,对管路的稳定性开展分析,并将流固耦合仿真的固有频率结果与理论结果进行对比,表明了理论结果置信度更高.研究结果为航空发动机轴承腔管路的优化设计与振动控制提供理论和技术支撑.

摘要：针对多个设计变量情况下的柔性多体系统灵敏度分析,采用伴随变量法对基于绝对节点坐标法建立的柔性多体系统进行了研究。为了验证的该方法的计算效率,分别采用直接微分法和伴随变量法对受重力作用的柔性单摆进行了研究,结果表明:这两种方法计算结果的误差很小,随着设计变量数量的增加,伴随变量法有更高的计算效率。

摘要：基于绝对节点坐标法,建立一种新的一维二节点输流管道单元。应用Irschik提出的适用于含非材料体系统的Lagrange方程推导输流管道单元的运动方程。采用Euler梁来模拟管道,并完全采用非线性Green应变张量和第二Piola Kirchhoff应力张量,没有任何量级近似,也没有假设悬臂输流管道的轴线不可伸长,并考虑材料的泊松效应对流速的影响,因此通过该方法得到的运动方程比传统的通过量级近似得到的输流管道的运动方程更合理。通过数值计算,分析不同边界条件下的输流管道非线性行为,并与经典输流管道运动方程的计算结果比较,结果表明该方法更合理。

摘要：软体机器人的驱动一般由较硬的驱动元件与柔性介质复合而成,两相材料耦合大变形的精确描述是驱动部件结构设计与运动控制的关键.针对复合柔性板结构大变形的特点,基于绝对节点坐标方法,通过变形协调条件将梁和板单元进行耦合,同时引入压电驱动材料本构方程,建立带压电材料驱动器的复合柔性板结构动力学模型,并对其动力学特性进行分析,以研究不同参数对该动力学模型的影响.结果表明:柔性悬臂板结构在压电驱动作用下产生弯曲变形,变形量及板末端位移随驱动电压的增大呈近似线性增大规律,且板结构弹性模量越小则该变形量增大的程度越大;随着弹性模量减小,板结构产生的周期性振动幅度增大,周期变长.

摘要：基于绝对节点坐标法并引入高阶位移插值函数,建立可描述钢索截面变形和旋转的钢索单元模型。考虑重力,计算轴向载荷下钢索结构变形及动态迟滞效应,采用准静态实验和动态载荷下的解析解验证了模型合理性。对不同载荷、结构参数及材料特性的钢索进行了准静态变形和动力学响应迟滞仿真分析。结果表明:轴向载荷下钢索结构的刚度主要受其直径影响,初始张力和钢索长度对变形的影响有限,动态响应迟滞时间由其自身长度及材料特性决定。相同条件下采用大直径钢索并适当增大初始张力,可在一定程度上增大钢索结构刚度,减小传动过程中的末端变形,改善长距离工况下钢索的传动性能。

摘要：基于绝对节点坐标法,引入介电弹性体本构方程,提出了一种以介电弹性体为驱动板、柔性材料为从动板的新型柔性双层板结构动力学模型,利用数值仿真研究了不同材料参数和激励电压对复合结构动力学特性的影响,对软体机器人驱动器选择和设计提供一定参考。仿真结果表明,复合双层板单元结构在一定大小的驱动电压的激励下会产生周期性变形,在各个方向的运动周期与驱动电压无关,保持复合单元的材料参数不变,其末端最大位移与驱动电压呈近似线性正相关;相同电压激励下,弹性模量越高的复合单元末端运动的周期越小,最大位移也越小,其结构的刚度和稳定性越强。当驱动电压过高,从动板单元材料超弹性系数过小时,复合单元柔性过大,末端运动出现将失稳现象。

摘要：平面3-R R R并联机构的柔性杆在运动过程中产生的柔性变形会影响机构的输出精度。基于绝对节点坐标法,建立含有柔性杆、刚性动平台的平面3-R R R并联机构刚柔耦合模型,对并联机构的动态特性进行研究,获得并联机构各时刻的位姿和动平台质心运动轨迹。结果表明,柔性杆的弹性变形使动平台不能按照预期的轨迹运行。建立柔性杆局部坐标系,得到了柔性杆中点处挠度值,发现主动杆的弯曲变形远大于从动杆,柔性杆对机构输出精度的影响主要由主动杆产生。仿真结果可以为机构的设计和优化提供理论依据。

摘要：钢索-滑轮系统间的非线性接触特性严重影响了长距离软式传动系统变形及动态响应迟滞效应的准确计算。基于绝对节点坐标法建立了三维高阶钢索单元模型。在此基础上,建立了钢索-滑轮系统的动态接触模型,应用Hunt-Crossley接触模型计算法向接触力,采用LuGre微变模型计算较低相对运动速度下的切向接触力,准确描述了钢索与滑轮接触由动摩擦向静摩擦的转变过程。仿真结果与准静态实验结果的对比验证了模型的准确性,分析了钢索材料参数和末端载荷对钢索-滑轮系统动态响应以及钢索末端位移的影响。结果表明,钢索-滑轮系统的动态响应延迟时间由钢索材料特性及末端载荷决定;钢索末端位移主要受钢索刚度及末端载荷影响。相同条件下采用小比重钢索材料,适当增加末端载荷以增大钢索结构刚度,可减小系统传动中钢索的末端位移,有效提高钢索-滑轮传动系统的传动性能。