含弹流润滑球铰的多柔体系统动力学研究

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多体系统中的球铰运动副已经被广泛应用于各个领域,如车辆传动系统、并联机器人、空间可展开机构、球轴承和人工髋关节等。已有研究表明:对于高速重载设备和人工髋关节的设计,需要考虑球铰瓦的弹性变形与润滑剂油膜压力耦合的弹流润滑(Elastohydrodynamic Lubrication,EHD润滑)效应。但是,大多摩擦学领域已有研究仅局限于单个球铰的弹流润滑特性研究,无法揭示含弹流润滑球铰的多柔体系统耦合动力学行为。在前人研究的基础上,本文在多体系统动力学理论框架下对含弹流润滑球铰的多柔体系统动力学问题进行了探索。本文主要工作总结如下:1)提出新球铰运动副多柔体动力学模型:球铰在全局坐标系下建立,柔性球壳采用基于全局位置坐标的有限单元描述,内部的刚体采用绝对节点坐标参考节点(Absolute Nodal Coordinate Formulation Reference Node,ANCF-RN)描述,全局坐标描述使多柔体系统动力学方程的质量矩阵为常数,有利于提高计算效率和简化约束条件;采用Open MP并行计算策略与广义-alpha方法对大规模多柔体系统动力学方程进行求解;采用ADINA软件验证了相关计算结果2)提出新球铰运动副的弹流润滑模型及其压力场计算方法:采用有限差分法离散润滑剂Reynolds方程,采用SOR(Successive Over Relaxation)方法迭代求解得到润滑压力;提出润滑剂压力场的旋转映射方法解决了有限差分网格与有限元网格的不协调问题。3)研究了含弹流润滑球铰的多柔体系统动力学行为:建立了含弹流润滑球铰运动副的多柔体动力学方程求解算法,对比研究了弹流润滑球铰运动副对多柔体系统动力学响应的影响规律。为后续进一步研究具有弹流润滑球铰的人体步态多体系统动力学行为,建立了具有干碰撞间隙球铰模型的人体步态多体模型。采用倒立摆模型规划了行走步态时的人体关节转角,分析了人体步态动力学行为。
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