偏心旋转梁与轴向运动悬臂梁动力学研究

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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。
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