摘要:女凯龙星(Chariklo)作为首个被发现具有星环的小天体,其环系统动力学受到广泛关注.本文针对女凯龙星引力场中赤道椭率与自转运动对环中颗粒轨道运动的影响问题,基于完整非保守系统运动方程的运动学形式构造Lagrange函数的方法,推导出该系统的Lagrange函数,并应用离散变分原理构建该系统的离散轨道动力学模型,并进一步探讨环中粒子的轨道结构和动力学机制.通过庞加莱截面分析,得到第一类周期轨道和1∶3共振周期轨道,研究两类周期轨道的特性得出女凯龙星内外两星环与这两类周期轨道的联系,得出女凯龙星环和两类周期轨道的关系,同时证明了相较于龙格-库塔法,离散变分方法具有更好的能量保持特性和结构保持能力,更适合用于精确模拟和分析此类复杂动力学系统,在大尺度时间范围内具有更好的轨道稳定性.研究结果显示；女凯龙星内环粒子可能位于满足径向振荡幅度范围的第一类周期轨道以及其邻近的准周期轨道上,也可能存在于1∶3共振轨道上；女凯龙星外环粒子只分布于第一类周期轨道及其附近的准周期轨道上.

摘要:大型空间结构的部署是未来航天技术发展的关键问题.将模块化航天器作为空间结构子模块进行在轨组装是主流的解决方案之一.为确保组装任务的安全实施,亟需开展多航天器间接近过程中的精准避碰操作.现有的航天器在轨组装防碰撞研究大多使用球形包络近似表示航天器形状,无法精确表述航天器外形轮廓.针对精准防碰撞运动规划需求,提出了一种基于超二次曲面距离梯度的控制方法.相较于球形包络方法,利用超二次曲面能够更准确地对航天器外形特征进行凸体描述.通过构建优化问题求解航天器间的最近距离,以实现精准碰撞检测.进而对优化问题进行灵敏度分析,获得最近距离相对于航天器位姿的梯度,并将其引入人工势函数建立航天器间的避碰组装控制律.最后通过多航天器避碰组装控制数值仿真验证了该方法的有效性.

摘要:考虑一类单相流作用的单自由度间隙振动系统的动力学模型,采用数值方法求解其运动微分方程,利用胞映射方法通过分岔图、相轨线图和吸引域揭示了系统的多稳态动力学,指出多个存在不同振动运动共存的流体流速区间,利用线性增益控制方法,引入衰减函数组成的线性反馈耦合控制信号.考虑在不改变系统主要参数的情况下在共存吸引子之间进行切换即优化冲击振子的响应,以及避免擦边引起的混沌响应.实现系统在不同的稳态之间切换,提升此类流致振动系统的稳定性.

摘要:近年来,拓扑声子晶体的研究受到了广泛的关注.然而,由于结构尺寸和质量等因素的限制,低频范围内的拓扑波导的实现较为困难,而多频拓扑波导的研究更具挑战.本文基于谷霍尔原理提出了一种内嵌悬臂梁谐振器的新型声子晶体,通过打破空间反演对称解除狄拉克点的简并,实现了带隙的打开和双频拓扑波导.结果表明,随着悬臂梁长度差异的增大,两个带隙的宽度可分别增至28 Hz和72 Hz.在此基础上,通过设计具有不同单胞的超胞结构和排列方式,可获得多种波导路径,如直角型和“+”型等.此外,弹性波也可在弯折后结构中沿不同单胞的边界传播.当弯折角度从20°增至40°时,波局域范围逐渐减小.本文的研究成果可为低频波导器件的设计提供了新途径.

摘要:眼球运动是人类感知和交互的关键,眼外肌为眼球三维运动提供了主要驱动力.然而,现有眼外肌—眼球耦合系统生物动力学模型难以处理眼外肌—眼球复杂接触缠绕,且眼球动力学方程忽略了其大范围转动特征.本工作运用几何力学方法,构建了眼外肌—眼球耦合系统动力学模型,探讨了眼外肌主动发力引起眼球三维转动的生物动力学机制.首先,基于测地线方法确定眼外肌—眼球间三维缠绕路径,并建立眼球水平大范围运动过程中眼外肌力臂变化模型.其次,将眼球视为定点转动刚体,基于SO(3)李群结构,推导出眼球定点转动的Euler-Lagrange方程.在此基础上,利用旋转矩阵插值并结合Euler-Lagrange方程逆向求解眼动力矩,结合静态优化算法估计眼外肌群各肌肉最优发力模式.基于开源软件OrbitTM 1.8和OpenSim对本文提出的方法进行验证,结果表明测地线方法所得眼外肌肌肉力线方向与OrbitTM 1.8的模拟结果吻合,所得眼外肌力臂以及静态优化估计的眼外肌发力模式与OpenSim模拟结果具有一致性.本文构建的眼球运动几何力学与控制算法,为理解眼外肌控制眼球的生物力学机制、明晰斜视等眼外肌疾患病理机制与治疗方案提供了理论模型与定量支撑.

摘要:车辆、船舶、航空器等载运工具座椅的低频振动严重影响乘员舒适性与健康,搭载的精密仪器也需有效隔离微幅振动以保障其工作精度,传统线性隔振系统在低频段性能有限,难以满足高舒适性与高精度隔振需求.负刚度结构通过几何非线性实现高静刚度与低动刚度,可显著改善低频隔振性能.针对单层负刚度系统在抑制振动二次传递方面的不足,设计了一种双层负刚度隔振系统.基于谐波平衡法推导系统动力学方程,并通过数值方法验证解析结果的准确性.参数分析表明,系统在低频隔振性能上全面优于传统线性系统；在此基础上提出了基于加速度传递率峰值控制的精密设备隔振性能评价指标,以及考虑加权传递率均值的人体舒适度指标.研究结果可为载运工具座椅与精密仪器低频隔振新型系统设计提供理论依据与舒适性评价方法.

摘要:涡激振动是大跨度桥梁典型的风致振动现象之一,主要包括卡门涡型涡振和运动诱导涡型涡振.尽管已有大量研究对第一类振动进行了深入探讨,但对第二类振动的研究仍相对不足.为此,本研究以4∶1矩形断面为研究对象,采用大涡模拟方法再现了运动诱导涡型扭转涡振的完整过程,提出一种去均值的条件平均技术以提取关键旋涡的演化特征,系统分析了流场结构与气动力矩的内在作用机制.研究结果表明：前缘分离涡沿结构表面向下游的漂移及其与尾缘涡的融合过程,是结构发生运动诱导涡型涡振动态激励的主要来源.同时,研究发现涡旋运动特征与力矩密度分布在时空演化上高度一致.流场结构的动态变化不仅改变了作用在结构上的激励力矩幅值,还调控了气动力矩和扭转响应之间的相位关系.

摘要:为了更加合理地评估多灾害影响下斜拉桥风险状况,论文基于地震和风灾害并发这一高风险事件,并同时考虑了索塔、支座和斜拉索三种构件,进而将二维系统易损性扩展到三维,进而对斜拉桥展开了三维系统地震-风易损性分析.在地震作用下主梁处于弹性阶段,因此本文不考虑主梁的损伤.首先,基于增量动力分析(IDA)方法,从低强度逐步增加施加于结构数值模型,同时模型上施加不同的风荷载,并进行时程分析.然后,基于力学行为高度耦合及关联性较强选择索塔、支座、斜拉索这三个构件,并选取合理的损伤指标计算得到各自的地震-风易损性曲线,揭示三构件间地震-风的内在相关性.最后,基于Person相关性确定三者的相关系数,得到斜拉桥合理的三维系统地震-风多灾易损性曲线.结果表明三维系统易损性分析结果比二维易损性分析得到的构件的失效概率更合理,三维系统易损性曲线为结构风险评估提供数据支撑.

摘要:城市道路之外的山区公路或高速公路中通常存在曲率变化、持续里程较长等复杂特征的弯道,给自动驾驶车辆换道超车行为的安全性带来挑战.针对该问题,提出一种持续变化弯道下主动换道超车的路径规划方法.首先,在路径规划层面,提出一种通过调节换道曲线生成自适应换道路径的混合控制点方法,并构建安全路径评价模型用以选取最优路径.其次,在速度规划层面,基于最优路径融合道路曲率变化、安全性、舒适性等因素建立约束条件构建目标函数,并求解车辆安全行驶的速度.最后,搭建仿真环境对所提方法在不同弯道场景下的规划效果进行验证,实验结果表明,该方法在弯道场景下能有效满足车辆的换道超车需求,保证车辆安全.

摘要:为提升人员自动升降机双向传动冲突下的换向运行稳定控制效果,提出基于滑模观测器的人员自动升降机双向传动控制方法.该方法首先构建双向传动动力学模型,得到二阶矩阵形式的人员自动升降机运动方程；然后设计滑模观测器,实现人员自动升降机双向传动状态的准确估计,以冲击度、能耗、响应速度作为优化控制目标构建优化控制函数,结合滑模观测器状态估计结果设计反馈控制律,实现人员自动升降机双向传动控制.实验结果表明,该方法在不同工况下的控制指令切换能够有效抑制人员自动升降机抖振,降低运行冲击度至6 m/s2以下,并提升响应速度和运行舒适性,具有良好的控制效果.