多柔体系统动力学建模与优化研究进展
发布时间：2021-05-31 22:28
多柔体系统是由柔性部件和运动副组成的力学系统,在航空、航天、车辆、机械与兵器等众多工程领域具有广泛的应用前景,其典型的代表包括柔性机械臂、直升机旋翼、卫星的可展开天线、太阳帆航天器等.近年来,随着工程技术的发展,多柔体系统动力学问题日益突出,尤其是含变长度柔性部件的多柔体系统,不仅涉及其动力学建模与计算,还涉及其动力学优化设计.事实上,部件柔性对多柔体系统的动力学行为影响很大,直接影响到优化结果,因此需要发展基于多柔体系统动力学的优化设计方法.本文首先阐述了多柔体系统动力学优化的研究背景及意义,简要回顾了多柔体系统动力学建模的3类方法:浮动坐标方法、几何精确方法和绝对节点坐标方法,并介绍了含变长度柔性部件的多柔体系统动力学建模方法.系统概述了多柔体系统动力学响应优化、动力学特性优化和动力学灵敏度分析3个方面的研究进展,并从尺寸优化、形状优化和拓扑优化3个方面综述了多柔体系统部件优化的研究进展.本文最后提出了在多柔体系统动力学优化研究中值得关注的若干问题.
【文章来源】：力学学报. 2019,51(06)北大核心EICSCD
【文章页数】：22 页
【部分图文】：
最大化旋转薄板第一阶共振频率拓扑优化[155]
分析多柔体系统部件形状优化研究成果相对较少的原因，主要有以下两点[214]：一是结构形状的描述困难，因为在优化过程中分析模型不断变化，为了计算动响应信息，需要不断变更有限元网格，既耗时又有挑战；二是形状敏度的分析，其难度与计算量也比尺寸优化大得多.3.3 拓扑优化
密度法以每个单元的相对密度作为设计变量，设计变量的个数与单元个数相等.当单元的相对密度为1时，表示材料域；当单元的相对密度为0时，表示空域；而当单元的相对密度在0和1之间时，表示中间密度材料.对于中间密度材料单元的物理属性，一般需要进行插值或者惩罚，主要有以下3种模型.20世纪80年代末和90年代初,Bends?e[226],Zhou和Rozvany[227]以及Mlejnek[228]提出了密度法的SIMP模型.随后，Bends?e和Sigmund[229]证明了SIMP模型的物理意义.后来，Stolpe和Svanberg[230]提出了密度法的RAMP(rational approximation of material properties)模型.Pedersen和Pedersen[231]提出了密度法的NLPI(non linear penalization or interpolation)模型.无论对于SIMP模型、RAMP模型还是NLPI模型，上述学者都假设单元材料的物理属性(如弹性模量、许用应力等)和单元的密度有某种对应关系，可表示为单元密度的连续、显式函数.他们指出，这3种模型的差异体现在上述对应关系的表达式上，并给出了具体插值函数表达式及其特点[231].图4 基于水平集方法的柔性连杆拓扑优化[109]
【参考文献】：
期刊论文
[1]Optimal control of a mobile robot on sphere[J]. Huageng Liu,Donghua Shi. Theoretical & Applied Mechanics Letters. 2019(01)
[2]第十八届美国理论与应用力学大会总结[J]. 段慧玲,曲绍兴,施兴华,杨绍普,王立峰,魏宇杰,季葆华,郭万林,王杰,柯燎亮,彭志龙,阚前华,吕朝锋,陈玉丽,姚海民,周济福,孙超,刘桦,张一慧,王萍,廉艳平,阎军,章青,孙洪广,王东东,张雄,詹世革,孟庆国,陈杰,汤亚南. 力学学报. 2018(05)
[3]多柔体系统动力学研究进展与挑战[J]. 田强,刘铖,李培,胡海岩. 动力学与控制学报. 2017(05)
[4]柔性多体动力学的共旋坐标法[J]. 史加贝,刘铸永,洪嘉振. 力学季刊. 2017(02)
[5]柔性多体系统动力学绝对节点坐标方法研究进展[J]. 田强,张云清,陈立平,覃刚. 力学进展. 2010(02)
[6]基于微分/代数方程的多体系统动力学设计灵敏度分析的伴随变量方法[J]. 丁洁玉,潘振宽,陈立群. 动力学与控制学报. 2006(03)
[7]基于二阶常微分方程的多体系统动力学设计灵敏度分析的伴随变量方法[J]. 丁洁玉,潘振宽. 工程力学. 2006(02)
[8]多体系统动力学设计灵敏度分析直接微分法[J]. 潘振宽,丁洁玉,高磊. 力学与实践. 2005(01)
[9]多体系统动力学设计灵敏度分析的直接微分方法[J]. 陆婕,丁洁玉. 青岛大学学报(工程技术版). 2004(04)
[10]工程结构优化设计发展综述[J]. 李芳,凌道盛. 工程设计学报（机械·设备和仪器的开发技术）. 2002(05)
博士论文
[1]经历大范围运动和大变形的细梁接触动力学[D]. 王庆涛.南京航空航天大学 2016
[2]柔性多体系统动力学及其设计灵敏度分析[D]. 皮霆.华中科技大学 2011
[3]刚—柔耦合系统动力学建模理论与仿真技术研究[D]. 刘铸永.上海交通大学 2008
[4]基于多体系统的灵敏度分析及动态优化设计[D]. 丁洁玉.上海大学 2008
本文编号：3209088
【文章来源】：力学学报. 2019,51(06)北大核心EICSCD
【文章页数】：22 页
【部分图文】：
最大化旋转薄板第一阶共振频率拓扑优化[155]
分析多柔体系统部件形状优化研究成果相对较少的原因，主要有以下两点[214]：一是结构形状的描述困难，因为在优化过程中分析模型不断变化，为了计算动响应信息，需要不断变更有限元网格，既耗时又有挑战；二是形状敏度的分析，其难度与计算量也比尺寸优化大得多.3.3 拓扑优化
密度法以每个单元的相对密度作为设计变量，设计变量的个数与单元个数相等.当单元的相对密度为1时，表示材料域；当单元的相对密度为0时，表示空域；而当单元的相对密度在0和1之间时，表示中间密度材料.对于中间密度材料单元的物理属性，一般需要进行插值或者惩罚，主要有以下3种模型.20世纪80年代末和90年代初,Bends?e[226],Zhou和Rozvany[227]以及Mlejnek[228]提出了密度法的SIMP模型.随后，Bends?e和Sigmund[229]证明了SIMP模型的物理意义.后来，Stolpe和Svanberg[230]提出了密度法的RAMP(rational approximation of material properties)模型.Pedersen和Pedersen[231]提出了密度法的NLPI(non linear penalization or interpolation)模型.无论对于SIMP模型、RAMP模型还是NLPI模型，上述学者都假设单元材料的物理属性(如弹性模量、许用应力等)和单元的密度有某种对应关系，可表示为单元密度的连续、显式函数.他们指出，这3种模型的差异体现在上述对应关系的表达式上，并给出了具体插值函数表达式及其特点[231].图4 基于水平集方法的柔性连杆拓扑优化[109]
【参考文献】：
期刊论文
[1]Optimal control of a mobile robot on sphere[J]. Huageng Liu,Donghua Shi. Theoretical & Applied Mechanics Letters. 2019(01)
[2]第十八届美国理论与应用力学大会总结[J]. 段慧玲,曲绍兴,施兴华,杨绍普,王立峰,魏宇杰,季葆华,郭万林,王杰,柯燎亮,彭志龙,阚前华,吕朝锋,陈玉丽,姚海民,周济福,孙超,刘桦,张一慧,王萍,廉艳平,阎军,章青,孙洪广,王东东,张雄,詹世革,孟庆国,陈杰,汤亚南. 力学学报. 2018(05)
[3]多柔体系统动力学研究进展与挑战[J]. 田强,刘铖,李培,胡海岩. 动力学与控制学报. 2017(05)
[4]柔性多体动力学的共旋坐标法[J]. 史加贝,刘铸永,洪嘉振. 力学季刊. 2017(02)
[5]柔性多体系统动力学绝对节点坐标方法研究进展[J]. 田强,张云清,陈立平,覃刚. 力学进展. 2010(02)
[6]基于微分/代数方程的多体系统动力学设计灵敏度分析的伴随变量方法[J]. 丁洁玉,潘振宽,陈立群. 动力学与控制学报. 2006(03)
[7]基于二阶常微分方程的多体系统动力学设计灵敏度分析的伴随变量方法[J]. 丁洁玉,潘振宽. 工程力学. 2006(02)
[8]多体系统动力学设计灵敏度分析直接微分法[J]. 潘振宽,丁洁玉,高磊. 力学与实践. 2005(01)
[9]多体系统动力学设计灵敏度分析的直接微分方法[J]. 陆婕,丁洁玉. 青岛大学学报(工程技术版). 2004(04)
[10]工程结构优化设计发展综述[J]. 李芳,凌道盛. 工程设计学报（机械·设备和仪器的开发技术）. 2002(05)
博士论文
[1]经历大范围运动和大变形的细梁接触动力学[D]. 王庆涛.南京航空航天大学 2016
[2]柔性多体系统动力学及其设计灵敏度分析[D]. 皮霆.华中科技大学 2011
[3]刚—柔耦合系统动力学建模理论与仿真技术研究[D]. 刘铸永.上海交通大学 2008
[4]基于多体系统的灵敏度分析及动态优化设计[D]. 丁洁玉.上海大学 2008
本文编号：3209088
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