深圳大学：《系统动力学》课程教学资源（PPT课件）第三讲 运动副精确建模

第三讲运动副精确建模

第三讲 运动副精确建模

讲授内容 一、 含间隙机构动力学研究背景 二、间隙模型 三、含间隙机械系统动力学模型 四、含间隙机构运动方程的数值解法 五、含间隙可展机构动力学模拟举例

讲授内容 一、含间隙机构动力学研究背景 二、间隙模型 三、含间隙机械系统动力学模型 四、含间隙机构运动方程的数值解法 五、含间隙可展机构动力学模拟举例

含间隙机构动力学研究背景 连接铰间隙的概念 。由于制造工艺和装配误差的原因，较间间隙难以避免 。为确保运动副的灵活性和重复性，必然存在间隙 轴套 销轴 刺穿深度

一、含间隙机构动力学研究背景 连接铰间隙的概念 ❖ 由于制造工艺和装配误差的原因，铰间间隙难以避免 ❖ 为确保运动副的灵活性和重复性，必然存在间隙

含间隙机构动力学研究背景 间隙的危害 在机构运行期间，间隙不可避免地存在于各活动铰连接处， 活动铰关节元素存在失去接触的现象，待再接触时会产生 碰撞。 2. 间隙使实际机构与理想机构的运动发生偏离，激起系统的 高阶振动，降低了机构运动精度； 3 间隙内碰撞引起冲击动载荷，影响系统载荷的传递，容易 造成运动副破坏和失效

一、含间隙机构动力学研究背景 间隙的危害 1. 在机构运行期间，间隙不可避免地存在于各活动铰连接处， 活动铰关节元素存在失去接触的现象，待再接触时会产生 碰撞。 2. 间隙使实际机构与理想机构的运动发生偏离，激起系统的 高阶振动，降低了机构运动精度； 3. 间隙内碰撞引起冲击动载荷，影响系统载荷的传递，容易 造成运动副破坏和失效

含间隙机构动力学研究背景 桁架式展开机构、太阳能帆板、对接机构、锁定机构等

一、含间隙机构动力学研究背景 桁架式展开机构、太阳能帆板、对接机构、锁定机构等

含间隙机构动力学研究背景 由于连接铰间隙导致的工程问题举例 1997年5月，我国发射的东三通信卫星由于铰关节间隙的 存在，出现颤振 2. 1999年2月，俄国宇航员在太空中未展开一面巨大的太空 镜子，使“人造月亮计划”失败 3. 1990年，美国Hubble太空望远镜入轨后，因太阳能帆板连 接处存在间隙再加之昼夜温差的影响而导致帆板的“卡死 一滑动”周期性运动，使其不能精确定位 空间机构动力学影响因素 1变拓扑结构（自由度变化） 2.间隙单边约束 3.空间环境（无根、失重、光压、真空、温差等） 4碰撞、阻尼、摩擦等干扰

一、含间隙机构动力学研究背景 由于连接铰间隙导致的工程问题举例 1. 1997年5月，我国发射的东三通信卫星由于铰关节间隙的 存在，出现颤振 2. 1999年2月，俄国宇航员在太空中未展开一面巨大的太空 镜子，使“人造月亮计划”失败 3. 1990年，美国Hubble太空望远镜入轨后，因太阳能帆板连 接处存在间隙再加之昼夜温差的影响而导致帆板的“卡死 －滑动”周期性运动 ，使其不能精确定位 空间机构动力学影响因素 1.变拓扑结构（自由度变化） 2.间隙单边约束 3.空间环境(无根、失重、光压、真空、温差等） 4.碰撞、阻尼、摩擦等干扰

含间隙机构动力学研究背景 连接间隙导致两种状态：带有摩擦的滑动和空转下 的内撞击。 2. 运动副间隙的接触模型及其碰撞特性是最基本的问 题之一。 3. 含铰接间隙的机构动力学，从力学本质上看是一种 非定常的、含碰撞的、变结构的、非线性的动力学 过程，连接铰间隙是结构非线性和无源阻尼的主要 来源

一、含间隙机构动力学研究背景 1. 连接间隙导致两种状态：带有摩擦的滑动和空转下 的内撞击。 2. 运动副间隙的接触模型及其碰撞特性是最基本的问 题之一。 3. 含铰接间隙的机构动力学，从力学本质上看是一种 非定常的、含碰撞的、变结构的、非线性的动力学 过程，连接铰间隙是结构非线性和无源阻尼的主要 来源

含间隙机械系统动力学建模中的关键问题 间隙铰内碰撞过程的处理 2 间隙内碰撞模型与多体系统动力学模型的集成

含间隙机械系统动力学建模中的关键问题 1. 间隙铰内碰撞过程的处理 2. 间隙内碰撞模型与多体系统动力学模型的集成

二、 间隙铰模型 销轴自由运动受到孔体空间的限制，一般会产生内碰撞。 根据运动副元素（轴销与孔体）相对运动关系的不同假设，间 隙模型主要分四类： 1.连续接触模型 2.有限元模型 3.经典碰撞模型 4.接触变形模型

二、间隙铰模型 销轴自由运动受到孔体空间的限制，一般会产生内碰撞。 根据运动副元素（轴销与孔体）相对运动关系的不同假设，间 隙模型主要分四类： 1. 连续接触模型 2. 有限元模型 3. 经典碰撞模型 4. 接触变形模型

连续接触模型 早期：连续接触模式。 假定运动副元素始终处于连续接触状态 忽略运动副元素的微小变形和运动副间的摩擦力 将间隙视为无质量的刚性杆一间隙杆，将原来的含间隙机构转化为多杆无间 隙机构。 优点：建模方法简单，易于计算。 缺点：没有考虑运动副的刚度、阻尼、摩擦系数和恢复系数，难以描述运动 副元素间的动力学特性，以及碰撞对系统动力学的影响。 C2 C2 D2 DI D2 机构等效模型 带铰间隙四杆机构

连续接触模型 1. 早期：连续接触模式。 ❖ 假定运动副元素始终处于连续接触状态 ❖ 忽略运动副元素的微小变形和运动副间的摩擦力 将间隙视为无质量的刚性杆－间隙杆，将原来的含间隙机构转化为多杆无间 隙机构。 优点：建模方法简单，易于计算。 缺点：没有考虑运动副的刚度、阻尼、摩擦系数和恢复系数，难以描述运动 副元素间的动力学特性，以及碰撞对系统动力学的影响。 A1 A2 B1 B2 C1 C2 D2 D1 A1 A2 B1 B2 C1 C2 D1 D2 带铰间隙四杆机构 机构等效模型