旋转刚柔耦合系统动边界模态特性的理论与实验研究

The rigid-flexible coupling system consisting of a rotating rigid hub and a flexible beam is provided with significant engineering applicant background and which is hot research topic in the academic field; however, in the system being modeled, most researches have not quantitatively studied the effects from rotation of rigid hub but directly applied the modal characteristics of flexible beam in static structural dynmaics. This project takes the rotating flexible beam as research object, and the theoretical solution and application mode of modal characteristics for flexible beam under rotating dynamic boundary conditions (for short, dynamic boundary modal characteristics) are investigated. The detailed contents are listed as follows: establish the essential relationship between rotation of rigid hub and dynamic boundary conditions of flexible beam, present the mathematic formulation of dynamic boundary conditions for flexible beam; obtain the theoretical solutions of modal characteristics of flexible beam under dynamic boundary conditions, simultaneously, calculate the modal characteristic under corresponding rotation by using the finite element method, make a comparisom between the theoretical solutions and digital results and then give a final solution; research the fast on-line calculation for the modal characteristics under dynamic boundary conditions, verify and establish the realtime on-line applicant mode of the dynamic boundary modal characteristics on the experimatal setup. The project aims at the quantitative solution for the rotating flexible beam under dynamic boundary conditions and ascertains the applicant mode of the dynamic boundary modal characteristics, to provide a new theoretical principle for accurate dynamic model and dynamic control of rotating rigid-flexible coupling system.

旋转中心刚体和柔性梁组成的刚柔耦合系统具有重要的工程应用背景，是学术界研究的热点；然而，大多数学者在对该系统动态建模时直接采用了静态结构力学中柔性梁的模态特性，没有定量研究中心刚体的旋转运动对柔性梁模态特性的影响。本项目以旋转柔性梁为研究对象，对柔性梁在旋转动态边界条件下的模态特性(简称动边界模态特性)进行理论计算及应用模式探究。具体内容包括：确立中心刚体旋转运动与柔性梁边界条件的本质联系，提出柔性梁的动边界条件的数学模型；理论计算动边界条件下旋转柔性梁的模态特性，同时采用有限元法仿真计算旋转柔性梁的模态特性，理论计算与仿真计算进行比较给出理论结果；研究动边界模态特性的快速的在线计算方法，在实验平台上验证并确立动边界模态特性的实时在线应用模式。本项目旨在定量解析旋转柔性梁的动边界模态特性，确立其应用模式，为更加精确建立旋转刚柔耦合系统的动态模型和动态控制应用提供一种新的理论基础。

旋转中心刚体和柔性梁组成的刚柔耦合系统具有重要的工程应用背景，是学术界研究的热点；然而，大多数学者在对该系统动态建模时直接采用了静态结构力学中柔性梁的模态特性，没有定量研究中心刚体的旋转运动对柔性梁模态特性的影响。本项目以柔性臂为研究对象，对其关键部件柔性梁在旋转动态影响下的模态特性(简称动边界模态特性)进行理论计算及应用模式探究。. 本项目主要是针对柔性臂建模精度不足问题进行研究。首先，在总结前期研究的基础上，指出柔性臂的建模精度存在的问题，主要是计算频率与实际出入较大；通过比较各种边界条件和弹性变形描述对模型精度的影响程度分析，指出边界条件是影响模型精度的主要因素。其次，既然边界条件更大的影响模型精度，从传统的边界条件的不足提出动边界模态特性的概念问题，建立了“旋转边界条件”的数学表达式，为准确描述动边界模态特性奠定理论基础。这个研究在定量描述动边界模态特性的基础上，解决了动边界模态特性的可解性的问题。再次，在柔性梁的动态边界定量描述中引入了一个参数，突破了前期研究提出的“旋转边界条件”这种固定描述的局限；参数化边界条件的描述方法能够适应较宽频带模态特性的定量解析。最后，我们也研究了参数化边界模态特性的应用模式，在动态响应解析中考虑了参数化边界模态特性，动态响应解析与实验数据对比分析，可以辨识具体实验平台的边界参数。. 通过本项目的研究，我们提出了一种动边界模态特性的理论解析与实验应用方法，这一方法能够有效提高柔性臂动态模型精度。本项目的研究为柔性臂的准确建模，动态分析及控制奠定了新的理论基础。