带轴向运动柔性梁附件航天器的刚-柔耦合动力学分析
刚柔耦合动力学模型
刚柔耦合动力学模型
刚柔耦合动力学模型是一个用于描述刚性物体与柔性物体之间相互作用的数学模型。
在这个模型中，刚体通常指刚性结构，如机械零件、汽车车身等，而柔性物体则指能够弯曲、伸缩和扭曲的物体，如弹性绳、弹簧等。
刚柔耦合动力学模型的基本思想是将柔性物体分割成很多小段，每一小段通过柔性势能函数和刚性物体之间的接触力来描述其运动状态。
这些小段之间通过切向和法向力来保持相互连接并传递力量。
通过这种方式，整个运动系统可以描述为一个刚柔耦合的物体，其运动状态可以由刚性物体的位置和速度以及柔性物体各个小段的位置和弯曲程度来确定。
在刚柔耦合动力学模型中，刚性物体通常被描述为自由度比较少的几何体，这些几何体在运动中保持形状和体积不变。
柔性物体则被用弹性模型来描述，这些模型可以是线性或非线性的，其形状和运动状态可以通过应变和应力场来确定。
刚柔耦合动力学模型中，同时也考虑了外部力和动量守恒等因素的影响。
总的来说，刚柔耦合动力学模型是一个复杂的数学模型，其实际应用包括机器人控制、航空航天工程、运动生物力学等多个领域。
机械系统中的刚柔耦合动力学分析
机械系统中的刚柔耦合动力学分析引言机械系统的刚柔耦合动力学分析是研究刚性部件和柔性部件耦合工作时的振动特性和动力学性能的过程。
刚柔耦合系统由刚性和柔性部件组成，其刚性部件具有高刚度和低振动特性，柔性部件则具有低刚度和高振动特性。
刚柔耦合分析在现代工程设计和制造中具有重要的作用，尤其是在飞行器、机器人、精密仪器等领域中的应用。
一、刚柔耦合动力学模型刚柔耦合动力学模型是描述该系统振动行为的数学模型。
该模型可以基于刚体动力学和弹性体动力学原理建立。
刚体动力学模型涉及质点、刚体的平移和旋转运动方程，弹性体动力学模型涉及刚体振动的波动方程和柔性部件的变形方程。
综合考虑刚体和弹性体的动力学模型，可建立刚柔耦合动力学模型，用于研究振动响应和动力学性能。
二、刚柔耦合系统的耦合方式刚柔耦合系统的耦合方式主要包括刚体与柔性部件的物理耦合和动力学耦合。
物理耦合是指刚体和柔性部件通过连接件（如螺栓、焊接等）实现的实体耦合，确保其共同工作。
动力学耦合是指刚体和柔性部件在振动过程中相互作用和影响。
物理耦合和动力学耦合的研究有助于理解刚柔耦合系统的振动特性和动力学行为，提高系统工作的稳定性和可靠性。
三、刚柔耦合系统的振动特性分析刚柔耦合系统的振动特性是研究该系统固有频率、模态形状和振型等振动性质的过程。
通过振动特性分析，可以确定系统的谐振频率和振型，为系统优化设计和振动控制提供依据。
常用的方法包括有限元分析、模态分析和振动测试等。
其中，有限元分析是一种基于数值计算的方法，可以模拟系统的振动响应，模态分析可以获得系统的固有频率和模态形状，振动测试可以直接测量系统的振动状态。
四、刚柔耦合系统的动力学性能分析刚柔耦合系统的动力学性能是研究该系统在外部激励作用下的响应和行为。
动力学性能分析主要包括动力学模态分析、频率响应分析和阻尼特性分析等。
动力学模态分析可以研究系统在特定工况下的振动行为和能量分布，频率响应分析可以研究系统在不同频率下的响应特性，阻尼特性分析可以研究系统的振动耗能和稳定性。
柔性飞行器飞行动力学与结构动力学耦合分析方法
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刚柔耦合动力学模型
刚柔耦合动力学模型刚柔耦合动力学模型是一种描述刚体和柔性结构相互作用的数学模型。
这种模型可以用来研究各种复杂的力学问题，例如机械振动、机器人动力学、运动控制等。
本文将从刚柔耦合动力学模型的基本原理、应用领域和建模方法等方面进行介绍。
刚柔耦合动力学模型的基本原理是通过将刚体和柔性结构的运动方程进行耦合，描述刚体与柔性结构之间的相互作用。
在该模型中，刚体通常被描述为质点或刚性体，具有确定的质量、形状和运动状态。
而柔性结构则被描述为连续介质，其形状和运动状态受到刚体的作用影响。
刚柔耦合动力学模型可以应用于多个领域，其中最常见的应用是机械振动。
在机械振动中，刚柔耦合动力学模型可以用于研究机械系统的自由振动和强迫振动。
例如，模拟汽车行驶过不平坦道路时车身和悬挂系统的振动，或者研究机器人手臂在运动过程中的柔顺性。
在建立刚柔耦合动力学模型时，需要考虑刚体和柔性结构的几何特性、材料性质和力学行为。
为了描述柔性结构的运动，在模型中通常采用有限元法或杆模型等方法进行建模。
这些方法可以将柔性结构离散成为许多小的单元，在每个单元内求解位移和应力等参数，从而得到整个系统的运动方程。
刚柔耦合动力学模型的求解通常涉及到数值方法。
常用的数值方法有有限元法、迭代法和离散化方法等。
这些方法在模型求解过程中，会生成大量的矩阵方程，需要用计算机进行求解。
数值方法的选择将影响模型求解的精度和计算速度。
刚柔耦合动力学模型可以有多种扩展和应用。
例如，可以将多个柔性结构耦合起来进行分析，研究多体动力学问题。
还可以加入控制系统，用于实现对刚柔耦合系统的运动控制。
另外，还可以将刚柔耦合动力学模型与其他领域的模型进行耦合，例如流体力学模型，研究复杂的多物理场耦合问题。
总之，刚柔耦合动力学模型是一种重要的数学模型，用于描述刚体和柔性结构之间的相互作用。
它在机械振动、机器人动力学、运动控制等领域有着广泛的应用。
建立刚柔耦合动力学模型需要考虑几何特性、材料性质和力学行为等因素，并采用适当的数值方法进行求解。
刚柔耦合动力学模型
刚柔耦合动力学模型刚柔耦合动力学模型是一种优秀的分析研究机械系统动态响应的方法。
它将刚体与柔体耦合在一起，综合考虑了它们各自的特性，可以更加真实地模拟实际的复杂机械系统。
刚柔耦合动力学模型着重考虑了两种物体的特性：刚体和柔体。
其中，刚体通常是指机械系统中的固定部分，它的运动状态可以由其欧拉角度量表示。
柔体则是指机械系统中的可以变形的部分，比如弹性杆、柔性连杆等，其变形可以通过弹性力表示。
通过将这两种物体结合起来，就可以建立一个更为真实的机械系统动力学模型。
在刚柔耦合动力学模型中，总的动力学方程可以分解为两个部分。
一部分是刚体的运动方程，它可以表示为：M*q''+C*q'+K*q=F(t)其中，q表示系统的状态向量，M、C、K分别是系统的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，F(t)是系统的外力，q'和q''分别表示状态向量q的一阶导数和二阶导数。
这个方程主要描述了刚体的运动规律。
另一部分则是柔体的运动方程，它可以表示为：D(x,t)x''+K(x)x=F(t)其中，x表示柔体的状态变量，D和K分别是柔体的阻尼系数和刚度系数，F(t)是系统的外力。
这个方程主要描述了柔体的运动规律。
通过将这两个方程组合在一起，就可以得到刚柔耦合动力学方程，即：[M 0 ;0 D(x,t)]*[q'';x'']+[C K(x);-K(x) 0]*[q';x']+[K(x) 0;00]*[q;x]=[F(t);0]其中，0代表零矩阵。
这个方程表示了整个机械系统的运动规律，可以通过求解状态向量q和柔体状态变量x的运动方程，来获得系统运动的轨迹和响应。
在实际应用中，一般采用有限元方法或类似方法来求解柔体的运动方程，求解刚体的运动方程则常采用欧拉积分或基于Runge-Kutta方法等数值方法。
除了上述的动力学方程以外，还需要考虑其他因素对机械系统的影响，比如摩擦力、已知外力等。
刚柔耦合动力学模型
刚柔耦合动力学模型
刚柔耦合动力学模型是一种模拟柔性物体在刚性结构体上运动和互动的模型。
它是基于多体动力学和弹性理论的复杂模型，通常用于机器人的机械臂、手指、足部等柔性部件的控制和仿真。
在这个模型中，刚性部件和柔性部件之间相互作用，并且对于柔性物体，则采用比较精确地黎曼曲面理论表示。
动力学模型包含了刚性部件的质量、几何结构、摩擦和约束力以及柔性物体的刚度、阻尼和粘滞阻尼。
在这个模型中，刚性结构体可以被表示成结构体中的多个质点，这些点可以通过使用牛顿运动定律和质点系统动力学方程进行运动学和动力学分析。
而柔性物体则可以通过有限元分析进行数值求解和建模，并考虑其非线性本质。
这个模型的分析使得我们可以预测柔性物体在刚性结构体上的运动和应变情况。
刚柔耦合动力学模型的成功建立与应用，为控制机器人手指、足部等柔性部件的制造和控制提供了有效的数学工具。
在现代机器人领域，一些先进的机器学习算法和控制方法已经被成功地应用到刚柔耦合动力学模型中，使得机器人系统的性能和精度得到了大幅提升。
同时，这个模型也为金属材料、塑料材料等柔性材料的应用和制造提供了有力的理论参考。
总之，刚柔耦合动力学模型对于研究和控制复杂机器人和柔性材料产生了重要的价值，为领域的发展奠定了坚实的理论基础。
考虑刚柔耦合效应的柔性多体系统碰撞动力学研究
总之，考虑刚柔耦合效应的柔性多体系统碰撞动力学研究具有重要的理论和 实践意义，将在机器人技术、航天技术等多个领域发挥重要作用。
感谢观看
然而，本次演示的研究仍存在一些不足之处。首先，实验对象仅为特定类型 的柔性机器人，其结论是否适用于其他类型的柔性多体系统仍需进一步验证。其 次，本次演示的理论模型简化了一些复杂因素，如摩擦力、气体阻力等，这些因 素在某些应用场景下可能对碰撞过程产生重要影响。
展望未来，我们提出以下研究方向：
1、研究不同类型和结构的柔性多体系统撞动力学的影响；
刚柔耦合效应主要通过引入弹性变形、阻尼等因素，考虑物体的变形和能量 耗散对碰撞过程的影响。在刚柔耦合模型中，碰撞过程中物体的速度、位移和加 速度不仅与物体的质量、惯性和碰撞速度有关，还与物体的变形、阻尼等因素有 关。这些因素的存在增加了碰撞过程的复杂性和不确定性，使得对柔性多体系统 碰撞动力的研究更具挑战性。
柔性多体系统碰撞动力的实验研 究
为了深入了解刚柔耦合效应对柔性多体系统碰撞动力学的影响，我们设计了 一系列实验进行研究。实验中使用了多个柔性关节机器人作为研究对象，通过高 速摄像机和力传感器等设备采集了碰撞过程中物体的速度、位移和作用力等数据。
实验结果表明，在碰撞过程中，柔性关节机器人的碰撞速度、碰撞时间和作 用力均小于刚性机器人。这是由于柔性机器人在碰撞过程中发生了明显的变形和 阻尼耗散，使得其碰撞过程更加缓慢和柔和。此外，实验结果还显示，随着碰撞 速度的增加，柔性机器人的变形量和阻尼耗散也相应增加，从而减小了碰撞冲击 力。
2、考虑更复杂的外部条件和因素，如不同温度、湿度和气压等环境条件对 柔性多体系统碰撞过程的影响；
3、研究具有更复杂刚柔耦合特性的柔性多体系统碰撞动力学模型和方法， 以提高模型的准确性和适用性；
刚柔耦合动力学模型
刚柔耦合动力学模型刚柔耦合动力学模型是指力学系统中刚体部分和柔性部分之间耦合作用的一种动力学模型。
在这种模型中，刚体部分通常被看作质点，而柔性部分则是由弹簧、张力绳、橡胶等材料组成的弹性体。
刚柔耦合动力学模型被广泛应用于工程学、生物学、医学等领域中，可以用来研究各种系统的动态响应以及系统中各个组成成分之间的耦合作用。
在工程学中，刚柔耦合模型主要用于机械臂、舞台机器人等机器人系统的建模与仿真。
在生物医学领域中，刚柔耦合模型则被用来研究人体肢体的运动学和动力学行为。
在刚柔耦合模型的建模过程中，需要考虑以下几方面的因素：1. 刚体与柔性部分的耦合形式刚体与柔性部分之间的耦合作用可以通过几种形式来表达，其中常用的有弹簧、绳索、液压机构等。
在建立刚柔耦合模型时，需要根据实际系统的情况来选择合适的耦合形式。
例如，在机器人系统中，通常使用液压机构来实现刚体与柔性部分的耦合。
2. 刚体与柔性部分的几何关系刚体与柔性部分之间的几何关系对模型的建立和仿真分析具有重要影响。
通常情况下，刚体与柔性部分之间的几何关系可以分为接触、间接接触以及渗透等情况。
在建立模型时，需要对几何关系进行详细的分析和描述，以便于模拟系统的行为。
3. 刚体与柔性部分的运动学和动力学方程刚柔耦合模型的运动学和动力学方程是分析系统行为的重要工具。
运动学方程用于描述系统中各个物体之间的位置、速度和加速度等运动轨迹信息，而动力学方程则描述物体在运动过程中所受到的力和力矩等信息。
在建立刚柔耦合模型时，需要对系统的运动学和动力学进行建模，并通过数值计算方法求解方程。
4. 刚柔耦合模型的仿真和优化在建立刚柔耦合模型之后，可以通过计算机仿真来验证模型的准确性和可靠性。
仿真可以帮助研究人员更加深入地理解系统的行为，并对系统进行优化。
例如，可以通过仿真来优化机器人系统的控制算法，提高机器人的动态响应性能。
总体来讲，刚柔耦合动力学模型在工程学、生物学和医学等领域中具有广泛的应用前景。
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带轴向运动柔性梁附件航天器的刚-柔耦合动力学分析程顺;沈振兴;崔涛;李慧剑【摘要】针对当前航天器面向大型化、复杂化和精密化方向发展,为了提高航天器的使用寿命、运行精度和工作效率,考虑航天器主体和轴向运动柔性梁的刚-柔耦合作用是十分有必要的.基于Euler-Bernoulli梁理论以及刚-柔耦合建模方法,建立了航天器主体-轴向运动柔性梁刚-柔耦合系统的动力学模型.根据Hamilton原理推导出刚-柔耦合系统的动力学方程,采用分离变量法和振型叠加法求解耦合系统的动力学方程.利用四阶Runge-Kutta法进行数值计算.通过数值算例分析航天器主体半径、航天器主体面密度和柔性梁轴向速度对柔性梁横向振动以及对航天器姿态角的影响.%Nowadays,spacecraft industry develops quickly to directions of large-scale,complicate and precision.Considering the rigid-flexible coupled effect of an axially moving flexible beam attached and a spacecraft' s main body is very necessary to improve service life,operation precision and working efficiency of the spacecraft.Here,based on EulerBernoulli beam theory and the rigid-flexible coupled modeling method in the flexible multi-body dynamics,the dynamic model for a rigid-flexible coupled system including an axially moving flexible beam and a spacecraft was established.The dynamic equations of the system were derived by using Hamilton principle.The dynamic equations of the system were solved with the separation variable method and the mode-superpositionmethod.Several examples were numerically computed with the fourth order Runge-Kutta method.Finally,the effects of radius and areal density of spacecraft main body and axial velocity of flexible beam on the transversevibration of the axially moving flexible beam and the attitude angle of the spacecraft were analyzed using the above several examples.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2018(037)002【总页数】12页(P91-101,107)【关键词】刚-柔耦合系统;轴向运动梁;动力学分析;横向振动;姿态角【作者】程顺;沈振兴;崔涛;李慧剑【作者单位】燕山大学河北省重型装备与大型结构力学可靠性重点实验室,河北秦皇岛066004;燕山大学河北省重型装备与大型结构力学可靠性重点实验室,河北秦皇岛066004;燕山大学河北省重型装备与大型结构力学可靠性重点实验室,河北秦皇岛066004;燕山大学河北省重型装备与大型结构力学可靠性重点实验室,河北秦皇岛066004【正文语种】中文【中图分类】V412.4+2;V414.3+3当前航天器正面向大型化、复杂化和精密化方向发展，为了提高大型空间结构的使用寿命、运行精度和工作效率，考虑航天器主体和所带轴向运动柔性梁的刚-柔耦合作用是十分有必要的。
截至目前为止，考虑柔性梁轴向运动、横向振动以及航天器姿态扰动三者之间相互耦合的文献非常少。
Tabarrok等[1]引入新的动力学模型，对轴向运动梁进行动力学分析，利用牛顿第二定理和拉格朗日法推导出模型系统的运动方程，采用假设模态法离散得到一个含有时变系数矩阵的偏微分方程；沈少萍等[2]利用动量矩定理推导出末端带集中质量的可伸缩柔性附属结构与航天器姿态耦合动力学方程，研究带末端质量附件的轴向伸展运动对航天器姿态及对附件横向振动的影响；Wang等[3]运用广义Hamilton原理推导出轴向运动Euler-Bernoulli梁的运动控制偏微分方程，采用假设模态法求解系统的运动方程；刘宁等[4]将弹炮发射系统简化为移动质量作用下的轴向运动悬臂梁系统，推导出轴向运动梁横向振动方程，采用修正Galerkin 法得到以模态坐标表示的二阶时变常微分方程组，通过Newmark法对方程组进行求解； Park等[5]对轴向可伸缩梁进行振动分析，同时考虑纵向和横向位移，推导出的纵向运动方程是线性的，与横向运动不耦合，推导出的横向运动方程是非线性的，与纵向运动耦合；Shen等[6]采用绝对节点坐标法研究航天器结构在耦合热-结构分析和非耦合热-结构分析情况下的动力学响应；Yang等[7]考虑轴向运动梁纵向-横向振动的耦合，采用Galerkin截断法将运动控制偏微分方程截断为耦合的非线性常微分方程组，运用多尺度法求解运动方程；陈红永等[8]针对 Galerkin截断法在计算轴向受压运动梁的固有特性时，低阶频率误差较大的问题，通过引入轴向力作用对试函数进行改进，分析两端固支和固支-自由边界条件下Timoshenko 运动梁在轴向压力作用下振动特性；闫业毫等[9]利用有限元方法对柔性梁进行离散，采用 Lagrange方程建立柔性梁的刚-柔耦合动力学方程，研究柔性梁的大范围运动和变形运动的相互耦合机理，比较零次模型、一次耦合模型、精确模型的差异，探讨各种模型的适用性；孙述鹏等[10]针对带大型太阳能帆板的航天器，使用蜂窝板对太阳能帆板进行建模，利用Hamilton原理建立了航天器刚柔耦合动力学方程，分析了刚柔耦合非线性项及系统参数对航天器固有特性和热诱发动力学响应的影响。
以上大多数研究模型是考虑了航天器主体与柔性附属结构之间的刚柔耦合作用，却没有考虑柔性附属结构的轴向运动，或者考虑柔性附属结构轴向运动，却尚未考虑航天器主体与柔性附属结构之间的刚-柔耦合作用。
而刚柔耦合模型建模方法根据参考坐标的选取不同，基本上可分为3种[11]：浮动坐标系法、随转坐标系法和惯性坐标系法。
其中浮动坐标系法是将多体动力学与结构力学相结合的方法，这种方法使多体动力学软件扩展应用于柔性多体系统，可以充分利用模态技术，是目前柔性多体系统建模使用最广泛的方法。
本文主要通过浮动坐标系法[11]建立航天器主体-轴向运动柔性梁刚-柔耦合系统的动力学模型，考虑轴向运动柔性梁与航天器主体之间的耦合作用，分析航天器主体半径、航天器主体面密度和柔性运动梁轴向速度对柔性梁横向振动以及航天器姿态角的影响。
1 模型建立本文以带有大型挠性天线的航天器为主要研究对象，首先建立研究对象的简化动力学模型，在建模过程中，作如下假设：(1) 航天器在近地轨道上运行，忽略其所受重力；(2) 航天器主体简化为圆柱形刚体，为研究方便，航天器只作单轴转动；(3) 大型挠性天线简化为满足Euler-Bernoulli梁理论的轴向运动柔性梁，其长度远远大于宽度和厚度，线密度均匀，无需考虑转动惯量和剪切变形的影响，仅考虑柔性梁的横向弯曲振动。
图1 航天器主体-轴向运动柔性梁刚-柔耦合模型Fig.1 The rigid-flexible coupling model of the spacecraft body and axially moving flexible beam 如图1所示，仅考虑耦合系统的二维平面模型，将卫星等航天器主体视为可绕其中心C转动的刚体，刚体中心是固定的，刚体半径为R。
天线等柔性附属结构视为轴向运动的柔性梁结构，轴向速度为v(t)。
其中，当v(t)>0表示柔性梁作轴向伸展运动； v(t)<0表示柔性梁作轴向收缩运动。
航天器主体与柔性梁接口位于O 点，柔性梁未伸出部分全部集中于接口处，其质量相对于航天器主体可忽略。
建立两套坐标系，坐标系CX0Y0表示固定惯性坐标系；坐标系OXY以接口O为坐标原点，OX轴为柔性梁未变形的中性轴，该坐标系用于描述柔性梁的轴向运动和横向振动。
OX轴和CX0轴的夹角用θ(t)表示，用于描述航天器主体的姿态扰动。
2 方程推导如图1所示，航天器主体转动惯量用Ihub表示；均质柔性梁可看作是细长悬臂梁，线密度为ρ，轴向速度v(t)。
柔性梁的外伸长度用L(t)表示，随时间发生变化，梁的初始外伸长度用L0表示。
由于柔性梁作轴向运动，导致柔性梁横向产生振动，航天器主体产生姿态扰动，而柔性梁轴向运动、横向振动以及航天器主体姿态扰动三者之间是相互耦合的。
未变形前梁上任意一点的坐标为(x,0)，变形后该点坐标为(X(x,t),Y(x,t))，航天器主体的扰动用θ(t)来表征。
假设OX轴和OY轴的单位矢量分别为i和j，则柔性梁上任一点的位置矢量为：r=(R+X)i+Y(X,i)j(1)式中： X=X(x,t)， Y=(X,t)=Y(x,t)。
所以该点的绝对速度矢量为：(2)式中： v是梁的轴向速度，是主体转动角速度，横向振动速度：由上述一系列分析，可得耦合系统的动能为：(3)航天器在微重力场中运行，不考虑其重力势能，仅考虑其变形能，故耦合系统的势能为：(4)式中：为柔性梁的轴向力，当v为匀速时， P(X,t)=0。
不考虑阻尼影响，且系统不受外力作用，根据Hamilton原理：可推导出耦合系统的动力学方程：(5)(6)式中：方程式(5)和式(6)是所研究系统精确模型的偏微分方程，根据小变形假设，忽略方程中高次项，可得系统一次刚柔耦合动力学模型的偏微分方程：(7)(8)当不考虑刚-柔耦合作用时，可得到零次刚柔耦合动力学模型的偏微分方程：(9)当不考虑柔性梁轴向加速度，即梁的轴向速度是恒定不变的，此时可将方程式(7)～式(9)简化为：(10)(11)(12)3 方程求解3.1 假设模态法离散偏微分方程推导出的耦合系统动力学方程是时变系数偏微分方程组，对于复杂的时变系数偏微分方程直接求解或采用积分的方法进行数值求解都是非常困难的。