偏心旋转梁与轴向运动悬臂梁动力学研究

论文摘要

偏心旋转梁和轴向运动悬臂梁这两类弹性梁动力学问题研究具有广泛的工程应用背景,如机器人操作臂、武器身管、机床主轴、雷达天线等。随着机械系统的轻量化设计,在机械系统中总是不可避免地存在刚度不理想的柔性结构,这些结构在机构快速动作或者受到外界冲击载荷时将产生较大的弹性振动,影响系统性能。对于上述系统而言,偏心旋转梁和轴向运动悬臂梁动力学研究是评估结构动力行为以及最终指导结构设计、探索结构减振技术、设计运动控制律的一个重要手段,具有重要的理论与工程应用价值。本文对偏心旋转梁和轴向运动悬臂梁这两类弹性梁动力学问题进行建模理论和数值仿真研究,探讨了细长弹性梁减振技术,提出了一些高效、可靠的动力学建模技术。本文主要研究工作和成果如下:（1）研究了偏心旋转梁刚柔耦合动力学建模、连续冲击载荷激励下的周期运动特性。采用拉格朗日方程与假设模态法推导了系统刚柔耦合非线性动力学模型,给出了惯性系下梁自由端的动力学响应后处理格式。通过数值算例,将计算得到的动力学响应与Adams软件刚柔耦合动力学计算结果进行对比,验证模型的准确性。以此为基础,研究了连续冲击载荷下系统随旋转半径、梁悬臂长度、扭转阻尼与扭转刚度参数变化的周期运动特性。以偏心旋转梁动力学特性分析作为理论参考,提出了针对某12.7mm大口径机枪的射击精度改进方案,进行应用探索研究。（2）对轴向运动悬臂梁动力学计算、频率响应、动力稳定性问题进行研究。提出了一种适用于轴向运动悬臂梁问题的高效动力学分析方法,即,拟合拉伸模态法。以欧拉梁理论为基础,采用拟合拉伸模态法、瑞利-里兹法、拉格朗日方程推导了轴向运动悬臂梁时变动力学方程。将计算结果与文献数据对比,对提出的拟合拉伸模态法与建立的时变动力学方程准确性进行对比研究,结果表明该方法准确可靠。随后,讨论该方法的计算收敛性、精度控制原则。研究了轴向运动悬臂梁频率响应特性,发现了轴向运动系统的反共振现象,为轴向运动悬臂梁减振提供了一条新途径。采用特征值理论,研究了轴向运动速度、加速度对梁动力稳定性的影响。（3）对自由端含有集中质量的轴向运动悬臂梁进行动力学研究。采用动网格法对自由端含有集中质量的轴向运动悬臂梁动力学问题进行求解。根据推导的动力学方程,研究了自由端集中质量对轴向运动悬臂梁频率响应特性以及动力稳定性的影响,并对轴向运动悬臂梁临界失稳参数进行无量纲分析。以自由端含有集中质量的轴向运动悬臂梁动力学特性分析作为理论参考,提出了针对某12.7mm大口径机枪的通过枪管局部动力学特性匹配来改善射击精度的方法,并研究了该方法有效性。（4）研究了细长弹性梁振动抑制技术。将动力吸振器应用于细长弹性梁振动抑制,提出了一种非常适合于优化设计的“动力吸振梁单元”,并推导了动力吸振梁单元动力学方程。提出了动力吸振梁单元的单元生死（功能激活）技术。这样,只需采用动力吸振梁单元一种单元便可模拟动力吸振器—梁动力系统,这将大大简化整体动力学方程组装过程,也有利于结果后处理。通过几组算例,将计算得到的动力学响应与Adams软件刚柔耦合动力学计算结果进行对比,验证了模型的准确性。将随机优化方法、粒子群优化算法应用于动力吸振器的参数优化设计,研究了自由振动、简谐激励振动、单冲击振动、连续冲击振动四种工况下两种方法的优化可靠性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 选题背景与意义
•   1.2 研究现状
•     1.2.1 旋转梁动力学研究现状
•     1.2.2 轴向运动悬臂梁动力学研究现状
•     1.2.3 动力吸振器研究现状
•   1.3 本文主要工作
• 2 偏心旋转梁动力学研究
•   2.1 偏心旋转梁刚柔耦合动力学建模
•     2.1.1 模型简化与坐标系设置
•     2.1.2 变形场与系统能量描述
•     2.1.3 模型离散与运动方程建立
•     2.1.4 惯性系下梁自由端响应后处理格式
•   2.2 模型验证
•   2.3 连续冲击载荷作用下旋转梁动力学特性研究
•     2.3.1 旋转半径对系统周期运动特性的影响
•     2.3.2 梁悬臂长度对系统周期运动特性的影响
•     2.3.3 扭转阻尼对系统周期运动特性的影响
•     2.3.4 扭转刚度对系统周期特性的影响
•   2.4 偏心旋转梁动力学特性对工程实践的指导
•     2.4.1 理论分析与工程实践的结合
•     2.4.2 机型系统有限元建模
•     2.4.3 有限元模型验证
•     2.4.4 枪架结构刚度优化
•     2.4.5 方案有效性讨论
•   2.5 本章小结
• 3 轴向运动悬臂梁动力学建模研究
•   3.1 基于拟合拉伸模态法的动力学建模
•     3.1.1 轴向运动系统建模假设与能量描述
•     3.1.2 拟合拉伸模态法与模型离散
•     3.1.3 运动方程建立
•   3.2 模型验证
•   3.3 基函数拟合阶数对计算精度的影响以及选取原则讨论
•     3.3.1 基函数拟合阶数对计算精度及收敛性的影响
•     3.3.2 基函数拟合精度的选取原则
•   3.4 轴向运动身管频响特性研究
•     3.4.1 考虑重力影响
•     3.4.2 忽略重力影响
•   3.5 轴向运动梁的动力稳定性
•     3.5.1 特征值分析方法
•     3.5.2 速度对轴向运动梁稳定性的影响
•     3.5.3 加速度对梁伸展稳定性的影响
•   3.6 本章小结
• 4 自由端含集中质量的轴向运动悬臂梁动力学研究
•   4.1 自由端含集中质量的轴向运动系统动网格建模
•     4.1.1 系统能量描述
•     4.1.2 动网格离散
•     4.1.3 运动方程建立
•   4.2 轴向运动梁模态的刚化特性研究
•   4.3 集中质量对伸展梁动力学特性的影响
•     4.3.1 重力作用下轴向运动系统频响特性研究
•     4.3.2 集中质量对轴向运动系统稳定性的影响
•   4.4 轴向运动梁临界失稳参数的无量纲分析
•   4.5 轴向运动系统动力学特性对工程实践的指导
•     4.5.1 理论分析与工程实践的结合
•     4.5.2 枪口质量动力学匹配对改进射击精度的有效性讨论
•   4.6 本章小结
• 5 细长弹性梁横向振动抑制技术研究
• 6 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 附录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 华洪良

导师: 张相炎,廖振强

关键词: 偏心旋转梁,轴向运动悬臂梁,动力吸振器,有限元,动力学,刚柔耦合,振动

来源: 南京理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 力学,武器工业与军事技术,武器工业与军事技术

单位: 南京理工大学

基金: 江苏省研究生创新计划项目(No.KYLX16_0420),南京理工大学优秀博士培养基金项目(No.AE88902),南京坤航信息科技有限公司技术研发项目,国家自然科学基金项目(No.51375241),江苏省青年自然科学基金项目(No.BK20180473)

分类号: TJ203;O343;TJ012

DOI: 10.27241/d.cnki.gnjgu.2019.000061

总页数: 156

文件大小: 15625K

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