关键词:
多体系统传递矩阵法
机械振动
动力学控制
面向对象技术
数据结构
自动推导
动力学求解器
飞切机床
弹用惯组
摘要:
芮方法,即多体系统传递矩阵法,是近二十多年来提出并逐步完善的一种多体系统动力学新方法。它实现了多体系统动力学研究无需系统总体动力学方程,因系统矩阵阶次低、计算速度快、程式化程度高、总传递方程自动推导等优点而得到广泛应用。芮方法的理论和应用研究正处于高速发展中,其中以线性多体系统传递矩阵法的理论最完善、应用最广泛。作为国防973重大项目研究成果的重要组成部分,本文基于芮方法建立了一种用于机械系统动力学分析的高程式化动力学建模、计算和程序设计方法,设计了一个面向对象的动力学求解器通用软件框架。以线性多体系统动力学为例,发展了线性多体系统传递矩阵法和多体系统扩展传递矩阵法,开发了一个具有较广适用范围的动力学求解器,将力学工作者和工程设计师从复杂枯燥的动力学方程推导和程序设计中解脱出来,为机械系统的动力学计算和动态性能优化提供技术支撑。论文主要工作及取得成果如下:(1)将表示铰和柔性体元件方位的方向余弦矩阵引入到元件传递矩阵中,所有元件的传递方程和传递矩阵均在同一全局惯性系中表示,简化了系统总传递方程的推导;将系统外力大小与其作用位置及方向分开描述,使得系统体动力学方程的表达更加具体,便于推导系统动力学控制方程;这两点改进提高了线性多体系统传递矩阵法的程式化程度,便于编写通用程序。(2)提出了基于线性多体系统传递矩阵法的动力学控制设计新方法,应用系统体动力学方程和增广特征矢量正交性获得了多刚柔体系统的状态空间表达式,实现了系统可控可观测性分析、模型降阶和控制器设计。(3)通过复数表示扩展状态矢量改进了多体系统扩展传递矩阵法,推导了一些典型元件的扩展传递方程和扩展几何方程,建立了基于多体系统扩展传递矩阵法的动力学频域分析方法,实现了阻尼多刚柔体系统的频率响应函数、稳态响应和随机振动响应统计特性的精确计算。(4)应用面向对象技术对多体系统传递矩阵法进行了计算机描述,在计算机内初步建立起了元件传递矩阵库;提出了多体系统拓扑结构的二叉树描述,设计了元件数据和系统拓扑结构在计算机内的组合存储方式。建立了多体系统主传递矩阵的递推计算公式,实现了总传递矩阵的计算机自动推导。开发了多体系统传递矩阵法动力学求解器,实现了机械系统振动特性、瞬态响应、状态空间表达式、频率响应函数、稳态响应和随机振动响应统计特性的计算。(5)应用本文开发的动力学求解器研究了金刚石飞切机床系统的振动特性,计算结果得到了模态试验验证。将本文方法应用于导弹振动特性和激光陀螺捷联惯组系统动力学研究,为某弹用激光陀螺捷联惯组设计了一种新型剪切挤压混合工作模式磁流变弹性体减振器,提出了弹用惯组变刚度减振方法,振动台试验表明了该方法的有效性。