• 2021年第19卷第4期文章目次
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    • 单自由度齿轮系统的混沌控制

      2021, 19(4):1-7. DOI: 10.6052/1672-6553-2020-085

      摘要 (265) HTML (76) PDF 1.03 M (581) 评论 (0) 收藏

      摘要:考虑一类单自由度齿轮动力学系统,其动力学方程表示为一个分段线性二阶微分方程.首先利用变步长龙格-库塔法求解其动力学响应,得到分岔图、相图和Lyapunov指数图;其次采用打靶法得到嵌入混沌吸引子中的不稳定周期1、2、4和6轨道;最后基于OGY方法把系统的混沌运动控制到上述轨道.研究表明OGY方法成功地实现了对单自由度齿轮系统的混沌控制,并讨论了噪声对混沌控制效果的影响.

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    • 一个周期性强迫的四维超混沌系统的复杂动力学性质

      2021, 19(4):8-15. DOI: 10.6052/1672-6553-2020-090

      摘要 (221) HTML (62) PDF 1.24 M (512) 评论 (0) 收藏

      摘要:基于Hide-Skeldon-Acheson系统, 构建了一个新的四维周期性强迫的超混沌系统, 不仅包含三角函数非线性项和三次多项式, 而且具有无穷多个孤立平衡点. 首先分析了新系统的平衡点与稳定性;然后发现在适当的参数条件下, 周期解和隐藏混沌吸引子共存的多稳定(multistability)性质. 进一步研究表明系统具有可共存可数无穷多个周期解或混沌吸引子的大稳定(megastability)性质;最后研究了系统的Hopf分叉, 数值模拟证实了理论的结果.

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    • 新光滑多翅膀混沌系统研究

      2021, 19(4):16-24. DOI: 10.6052/1672-6553-2020-072

      摘要 (147) HTML (67) PDF 2.00 M (458) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对光滑多翅膀混沌系统不易于构造的问题,基于光滑代数函数提出两个新光滑多分段非线性函数,并用新光滑多分段非线性函数构造了新光滑单方向多翅膀S-M混沌系统和新光滑二方向网格多翅膀S-M混沌系统.然后,分析了两个新光滑多翅膀混沌系统的非线性动力学行为,主要包括相图、平衡点、不变性、耗散性、李亚普诺夫指数、分维数和庞加莱截面,并得到了多翅膀混沌吸引子的产生机理.其产生机理为指标2鞍焦平衡点用于产生翅膀.此外,通过单方向多翅膀S-M混沌吸引子和二方向网格多翅膀S-M混沌吸引子的电路实现,验证了理论推导和数值仿真的正确性.

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    • 非线性边界条件下弯扭耦合梁方程组的吸引子

      2021, 19(4):25-31. DOI: 10.6052/1672-6553-2020-056

      摘要 (573) HTML (49) PDF 665.23 K (449) 评论 (0) 收藏

      摘要:研究具有实际背景的弯曲与扭转联合作用下梁方程组在非线性边界条件下的吸引子.首先通过Faedo-Galerkin方法证明整体解的存在唯一性,其次证明系统存在有界吸收集和半群的渐近光滑性,最后得到全局吸引子的存在.

    • 梁式结构动力模型降阶方法及其应用

      2021, 19(4):32-38. DOI: 10.6052/1672-6553-2020-054

      摘要 (178) HTML (85) PDF 990.30 K (410) 评论 (0) 收藏

      摘要:工程项目当中常会遇到运载火箭、火车车厢和高层建筑等大型梁式结构的动力学性能分析,其计算工作量非常大,往往需要对动力模型进行降阶处理.针对这一问题,提出了面向梁式实体结构的多点凝聚法,基于梁平截面假设,该方法将结构每个截面上的有限元节点通过位移转换矩阵凝聚到该截面的多个凝聚点上,从而利用减缩基向量实现了模型的降阶.多点凝聚法还可推广应用到运载火箭液体推进剂的模拟当中,进一步提出了实体降阶法,该方法首先采用实体单元建立液体推进剂,并利用液体不可压缩和不能承受剪切应力的特性合理定义其弹性模量和泊松比这两个材料属性,随后便可利用多点凝聚法得到简化模型.算例表明,采用本文提出的模型降阶方法得到的简化模型一方面可以大幅提升计算效率,另一方面计算结果的相对误差可保证在8%以内,验证了降阶方法的有效性.

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    • 参数化列车碰撞平台的动力学建模与仿真

      2021, 19(4):39-47. DOI: 10.6052/1672-6553-2020-053

      摘要 (173) HTML (102) PDF 1.54 M (532) 评论 (0) 收藏

      摘要:轨道车辆的设计过程中,有限元碰撞仿真方法建模复杂、修改周期长.为快速计算准确的列车碰撞响应,基于车辆-轨道耦合动力学理论,使用Matlab程序语言,建立参数化列车碰撞平台.根据实际参数,将车辆实体模型转化为数学模型,将连续轨道模型离散为弹性点支承模型;基于Hertz接触理论,使用向量法建立轮轨相互作用模型;将车钩缓冲装置、吸能防爬装置和悬挂装置的力学特性转化为非线性迟滞特性数学模型;采用修正双步长显式积分算法对参数化模型进行时域求解.将有限元仿真结果与参数化仿真结果在速度、加速度以及最大轮对抬升量方面进行对比,结果表明,两种模型的速度变化趋势相同,加速度绝对误差小于1m/s2,轮对抬升量峰值相对误差1.67%,各项指标的相对误差保持在10%以内,对参数化列车碰撞平台的准确性进行了验证.研究结果为揭示列车碰撞后的响应机理建立了仿真基础,为轨道车辆的耐撞性设计中参数的选定提供了一定的理论支撑.

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    • 分形接触干摩擦模型及在围带叶片受迫响应分析中的应用

      2021, 19(4):48-54. DOI: 10.6052/1672-6553-2020-073

      摘要 (141) HTML (61) PDF 1.04 M (441) 评论 (0) 收藏

      摘要:为了研究含有围带接触面叶片的非线性振动响应,基于三维干摩擦微滑移模型,发展了一种分形接触干摩擦微滑移模型,用于计算考虑接触面形貌的摩擦力.在该模型中,摩擦接触面被离散成一系列接触单元,每个接触单元由一组接触点对来表征该接触单元的粘滞、滑移、分离的摩擦运动状态.采用分形几何模拟接触表面的形貌,基于分形理论和赫兹接触理论,建立接触面粗糙度、正压力、弹性模量、泊松比等参数与接触刚度和摩擦系数的关系.接触面摩擦力由接触刚度、摩擦系数和接触点对的相对位移确定.采用该发展的模型预测了真实围带叶片的受迫振动响应,研究了接触面形貌和初始正压力对围带叶片共振响应的影响.研究结果表明,本文模型能考虑接触面形貌对围带叶片非线性振动响应的影响;接触面形貌改变时,接触刚度和摩擦系数会发生变化,从而影响接触面摩擦力;在该模型中,接触刚度随着正压力的增加而增加,随着粗糙度的增加而减小;摩擦系数随着正压力增加而增加,随着粗糙度的增加,先增大后减小;接触面形貌和初始正压力对围带叶片受迫振动响应有显著影响.

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    • 下肢康复外骨骼人机耦合动力学建模与控制

      2021, 19(4):55-63. DOI: 10.6052/1672-6553-2020-091

      摘要 (723) HTML (66) PDF 1.25 M (710) 评论 (0) 收藏

      摘要:在行走过程中,患者与外骨骼之间的交互力,决定了患者使用外骨骼的安全性、舒适度以及外骨骼的性能,因而在康复外骨骼的相关研究中受到广泛的关注.本文以可穿戴式的下肢康复外骨骼为研究对象,考虑了患者和外骨骼的耦合作用,给出了人机交互力模型,同时考虑了足底-地面接触力的影响,从而基于第一类拉格朗日方程建立了人机耦合的动力学模型.进一步,考虑患者在不同康复训练阶段的特点和实际需求,给出了相应的控制策略.特别地,在主动康复阶段,从人机交互力模型的角度,给出了基于人机交互力的外骨骼位置阻抗控制中参考轨迹修正量的实际物理解释,并且设计了阻抗PID控制策略.仿真结果表明,使用人机耦合的动力学模型,能够对人机交互力进行有效的分析;进一步,本文在康复训练的主动阶段所设计的控制策略,能够有效地降低人机交互力的水平.

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    • 三重周期极小曲面夹芯结构的隔声性能研究

      2021, 19(4):64-72. DOI: 10.6052/1672-6553-2021-027

      摘要 (474) HTML (70) PDF 1.99 M (458) 评论 (0) 收藏

      摘要:极小曲面夹芯结构具有高比刚度、良好吸能等优点,在实际工程中展现了广泛的应用前景,而其隔声性能并未得到充分的研究.基于此,利用数值分析和试验方法研究了D型和I-WP型三重周期极小曲面夹芯结构的隔声性能.首先,基于声振耦合理论,建立极小曲面夹芯结构有限元模型;然后使用声阻抗管法验证了有限元模型的精度;最后,利用验证后的有限元模型系统分析了夹芯厚度、面板厚度、弹性模量、极小曲面常数和周期常数等重要参数对极小曲面夹芯结构隔声性能的影响.研究发现I-WP型极小曲面夹芯结构在4400Hz-5000Hz频段,隔声量可达60dB.本研究有望为高速列车等领域轻质结构被动隔声提供新的解决方案.

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    • 基于包络切换的四旋翼吊挂无人机避障轨迹优化研究

      2021, 19(4):73-80. DOI: 10.6052/1672-6553-2020-052

      摘要 (437) HTML (73) PDF 1.11 M (533) 评论 (0) 收藏

      摘要:考虑非圆避障区域以及吊挂载荷摆动导致的包络圆切换,开展四旋翼吊挂无人机避障飞行轨迹优化研究. 首先,通过互补约束对拉紧-松弛系绳进行统一描述,建立了吊挂四旋翼无人机系统的整体动力学模型;而后,采用R函数建立了不同包络圆情形下的统一避障约束方程,使用碰撞检测算法计算包络圆与障碍物的距离,并通过非线性最优控制方法建立了吊挂无人机避障轨迹优化数学模型;继而利用Legendre-Gauss-Radau伪谱法将开环非线性最优控制问题离散为非线性规划问题,通过数值求解得到了吊挂无人机的最优运动轨迹. 最后,通过数值仿真算例验证了所提出的轨迹优化算法的有效性.

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    • 航天飞行器在共面多轨道间的机动规划方法研究

      2021, 19(4):81-88. DOI: 10.6052/1672-6553-2020-078

      摘要 (129) HTML (97) PDF 1.22 M (531) 评论 (0) 收藏

      摘要:针对同时受时间与燃料约束的航天飞行器多轨道间机动问题,研究了两类变轨机动方式四种特殊情况的边界问题.考虑机动、路径和燃料约束构建了以最短总机动时长为目标的规划模型,设计了基于改进蚁群算法的机动策略寻优算法,提出了一种满足快速机动需求的共面多轨道间机动规划方法.通过算例计算,验证了多轨道间机动规划方法的有效性,得到了在有限时间及有限燃料条件下的最优机动方案.说明了在一定范围内提升变轨速度冲量或选择非开普勒径向机动更有利于航天飞行器快速机动能力的生成.

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    • 双向气动软体执行器的设计与分析

      2021, 19(4):89-96. DOI: 10.6052/1672-6553-2020-092

      摘要 (159) HTML (93) PDF 1.22 M (502) 评论 (0) 收藏

      摘要:设计了由两种尺寸气囊交替连通而成的新型软体执行器,该结构可实现两个方向固定角度摆动.首先建立双向弯曲软体执行器的非线性力学模型,得到形式为三段的分段函数,每一段表示软体执行器在相应阶段的弯曲角度和驱动气压的函数关系.其次,应用仿真软件描绘出软体执行器的摆动角度和驱动气压的线性关系,并与经典软体执行器进行了对比,发现两者不同之处在于未充气侧大小气囊之间挤压的弹性势能.最后,制作了双向固定角度摆动的软体执行器模型,通过实验验证了数值结果的可靠性.结果表明,本文提出的双向弯曲气动网格软体执行器的非线性建模和设计是可行的.

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