计入关节摩擦的空间桁架结构动力学建模及共振分析

关节非线性对大型可展开空间桁架结构整体动力学特性有着重要影响.将关节模拟为具有六个方向刚度且其中任意方向可含有非线性特性的弹簧系统,研究了空间桁架结构非线性动力学建模与共振分析方法.采用双线性滞回模型模拟关节的摩擦特性,基于描述函数法得到了关节等效刚度和等效阻尼的解析表达式.在对两端含非线性关节的桁架构件进行动力学缩聚...     

大型空间桁架结构多目标等效静力风荷载

空间桁架体系不仅具有典型大跨屋盖结构风致响应多模态参与性及特征响应多样性等特点,其在脉动风荷载激励下结构不同部位的风致响应还存在有大量的正负号交替现象。针对以上特性,在分析了单目标等效风荷载不足和局限性的基础上,提出了一种新的多目标等效风荷载计算方法。在该方法中,不仅采用本征正交分解 (POD)法基本原理有效解决了多目标脉动响应极值间的正负号组合问题,寻找出一种在一定程度上最为可能的目标响应分布形式;同时以保证结构关键位置的风致响应为目标,提出了多目标等效风荷载的精确求解方式。最后以杭州新火车东站站台屋盖结构为工程实例,证明了采用该方法得到的多目标等效风荷载不仅能够精确保证关键部位响应与实际结果高度一致,其他非关键部位结果也有一定的精确性。     

基于Stewart平台的大柔性空间桁架结构振动控制

针对大柔性空间桁架结构的振动主动控制问题,提出一种根部测控一体化方案,即采用CCD相机在桁架根部对桁架振动进行非接触式测量和采用Stewart六杆并联平台固连在柔性桁架根部作为主动设备进行振动控制。采用ADC自适应控制算法,并基于dSPACE实时仿真系统,搭建了振动控制实验平台。文中使用音圈电机激振器分别作为外扰和内扰,激发柔性桁架的低阶模态,通过视觉测量系统测得振动信号,采用Stewart平台在桁架根部对振动进行抑制。低频外扰谐振实验,桁架振动振幅衰减87.7%;低频内扰谐振实验,桁架振动振幅衰减91.8%。实验结果证明文中提出的桁架振动根部测控一体化方案的有效性,尤其适用于空间可展开结构的振动控制。     

大型空间柔性结构基于H2范数的模型降阶

本文给出一种简单易算的大型空间柔性结构的模态缩减法。分析了小阻尼条件下全系统及各阶模态子系统传递函数H2范数的特点，进而定义了系统模态重要度序列，据此序列给出了在H2范数度量下的最优降价系统。仿真算例表明，基于H2范数的模态缩减法明显优于普通的模态截断方法。     

基于NES的空间桁架结构被动减振研究

该文利用等效方法将由众多杆件构成的、离散的空间直线式桁架等效为连续梁,对等效梁附加NES(非线性能量阱)的桁架结构进行瞬态减振研究。通过等效方法将梁式桁架结构建模为等效线性连续系统(有限长度梁),并用有限元模型对其进行了验证。建立了含NES附件的等效悬臂梁的振动控制方程,并采用伽辽金法进行离散,分别分析了附加和不附加NES附件的梁在外激励下的横向振动位移响应。通过计算NES附件附着在结构的不同位置条件下的外激励响应,研究了NES对结构的振动抑制作用。此外,还研究了不同质量的NES附件在不同位置时结构的外激励响应,得到了NES附加质量对减振效果的影响。从结果可以看到,NES附件可以减弱X型桁架在瞬态激励作用下的响应,且当NES附件的质量增加时,系统的振动振幅下降更快,NES附件的能源消耗效率更高。同时还对比了NES被动减振和线性刚度阻尼减振器(TMD)的减振效果。结果表明,在附加NES的结构中,在激励发生后的5 s左右时,结构振幅的衰减就达到了可观的程度,振幅下降的趋势更为陡峭,体现了NES优于线性刚度阻尼减振的良好减振效果。并通过实验验证了不同质量的NES附件的衰减效果,在梁的自由端施...     

基于静定空间桁架原理的空间相机结构设计

现代空间光学遥感器向着大口径、长焦距的方向发展.焦距变长意味着主次镜间隔变长,也就意味着次镜的系统公差更难保证.针对次镜严格的公差要求,本文提出了一种空问桁架结构的设计理念.根据静定空间桁架原理,设计了两种结构方案,采用有限元分析软件,对两种方案进行了分析,求得前三阶固有频率、绕X轴的倾角和y方向刚体位移.分析结果表明,设计方案1的一阶模态为78 Hz,绕X轴的倾角为2",沿Y轴的最大刚体位移是0.04 mm;设计方案2的一阶模态为113.7 Hz,绕X轴的倾角为1.5",沿Y轴的最大刚体位移是0.022 mm.两种方案都能满足设计要求,而方案2比方案1有明显优势.静定空间桁架原理为空间相机结构设计提供了可靠的理论依据.     

变拓扑空间可展桁架多体系统动力学建模与分析

随着空间折叠式桁架可展长度的增大与结构的复杂化,对空间大型展开机构动力学分析的计算规模逐渐增大.为了减少系统的广义坐标个数,该研究取铰的相对坐标为系统的广义坐标,基于单向递推组集方法建立太空望远镜桁架展开过程的动力学模型.利用Jourdain速度变分原理建立了各柔性部件的动力学变分方程,根据各柔性部件之间的运动学递推关...     

空间桁架梁固有振动的能量变分解析解

目前人们对空间桁架梁的振动特性研究得较少,该文首先采用Timoshenko梁的连续化模型来模拟空间桁架梁,推导得到了空间桁架梁的等代抗弯刚度和等代抗剪刚度,并采用能量变分法对空间桁架梁的固有振动进行分析,给出空间桁架梁的竖向振动频率和振型的解析解。然后采用有限元软件ANSYS对几种不同算例进行模拟,通过模态分析得到空间桁架梁的频率与振型。将能量变分法求得的频率解析解与有限元分析求得的频率数值解进行对比,结果基本上是一致的,将两种方法得到的振型对比,结果吻合良好。该文所提出的能量变分解析解可供空间桁架梁的工程设计参考。     

柔性机械臂动力学建模与振动分析

本文采用假设模态法和Lagrange方程建立了柔性机器人连杆的动力学模型,利用数值仿真,对比分析了截取模态的阶数对连杆振动的影响,结果表明,三阶模态截断可以得到较良好的振动响应分析结果。仿真结果还表明,柔性机器人连杆的结构参数对系统振动的影响,适当增加连杆截面高度可以有效抑制其振动和弹性变形。末端集中质量会对连杆振动产生较大影响。仿真结果表明,集中质量越大,连杆振动也越剧烈。     

柔性结构系统不确定性的μ分析

提出了一种柔性结构系统不确定性的结构奇异值（μ）分析方法,分析了结构系统的高频未建模动态,将其作为名义模型的加型因子或加乘性因子不确定性,并从模态空间的参数摄动出发,推导了系统的参数不确定模型。采用结构奇异值（μ）分析方法对结构系统及其控制器进行鲁棒稳定性和鲁棒性能分析。给出的算例表明,本文的柔性结构不确定性模型的构造方法及控制系统的μ分析方法是有效的。     

网架结构动力分析的三次样条辛算法

根据对偶互补的思想,建立了网架结构动力学的相空间非传统Hamilton型变分原理。这种变分原理不仅能反映这种动力学初值-边值问题的全部特征,而且它的欧拉方程具有辛结构。基于该变分原理,空间域采用有限元法与时间子域采用三次样条函数插值的时间子域法相结合,构造了求解网架结构动力响应的一种辛算法,给出了逐步递推计算格式。数值算例结果表明,这种新方法的稳定性、计算精度和效率都明显高于Wilson-θ法和Newmark-β法。     

论分布式陀螺柔性体结构的动力学建模问题

针对含分布式控制力矩陀螺的柔性体结构动力学建模问题,研究了结构和陀螺之间相互耦合对结构固有振动的影响。通过基于有限元离散的建模思路,获得了含分布式控制力矩陀螺的结构动力学模型。对比模态叠加方法,提出原柔性体模态的概念。结果表明,分布控制力矩陀螺对结构固有振动产生了本质的影响。基于原柔性体结构前几阶模态的模态叠加法,由于没有计入结构和陀螺之间的耦合效应,所得到结构动力学降阶模型具有较大误差。     

区间随机桁架结构动力特性分析方法研究

摘 要：针对区间随机桁架结构的动力特性分析,提出了一种区间随机有限元方法。当结构的物理参数和几何尺寸同时具有区间随机性时,利用区间因子法和随机因子法建立了结构的刚度矩阵和质量矩阵;从结构振动的瑞利商表达式出发,利用区间运算推导了结构动力特性区间随机变量的计算式;进而利用随机变量的矩法和代数综合法,推导出了结构特征值的数字特征的计算式。最后通过算例分析了区间随机桁架结构参数的区间随机性对其动力特性的影响,计算结果表明该方法是可行和有效的。
     

大功率船用齿轮箱耦合非线性动态特性分析及噪声预估

对某大型船用齿轮箱的动态特性进行分析,将系统分为传动子系统和结构子系统,通过支撑轴承把两个子系统耦合起来,建立齿轮-轴-轴承-箱体耦合系统三维有限元模型。在研究斜齿轮接触线变化规律基础上,提出了一种计算斜齿轮时变刚度的方法。在考虑传动子系统内部激励和外部激励的影响下,对系统动态特性进行了数值仿真,得出了结构子系统各点的振动位移、速度等动态评价指标,以及系统的结构预估噪声,为船用齿轮箱系统动态性能优化提供了理论依据。     

计及变形耦合项的平面柔性梁动力学建模及频率分析

考虑了变形产生的几何非线性效应对作大范围运动的平面柔性梁的影响，在其纵向、横向的变形位移中均考虑了变形的二次耦合变量，从非线性应变-变形位移的原理出发，说明增加耦合变量后。使得剪应变近似为零，由此得出的变形模式更符合工程实际和简化需要。考虑两个方向的变形耦合后，采用有限元离散，通过Lagrange方程导出系统的动力学方程。最后对一作旋转运动的平面柔性梁进行仿真计算，并对其固有频率进行分析研究。将本文模型所得的结论。与一次耦合动力学模型、零次近似模型进行比较，说明了三种模型的差异。得到了作旋转运动的平面柔性梁的一些新特点。     

基于折痕特性的柔性结构展开过程分析

研究展开过程中的折痕特性,并在弹簧质点系统基础上,提出一种基于折痕展开特性的简化分析模型,将平行折叠的柔性结构转化为折痕上的质点及连接的弹簧．分析了折痕刚度对展开的影响,给出完全展开的判定准则及通用拓扑关系,并推导了理想展开时点的运动轨迹．应用本模型对正四边形柔性结构在边框张拉受力下进行展开分析,利用自编程序通过特定功能模块实现非理想展开过程仿真．仿真展开过程与理论轨迹基本相符,验证了分析模型的合理性．并对展开过程中的受力、变形进行分析,探讨了折痕刚度对模型展开的影响．拓展了弹簧质点系统的应用范围,为柔性结构的分析、建模及仿真给出建议．     

姿态受控柔性臂空间机器人的自适应神经网络容错控制及残振抑制

针对执行器发生部分失效故障的漂浮基姿态受控柔性臂空间机器人系统,研究了执行器故障的容错控制及柔性臂杆残余振动的主动抑制。结合假设模态法、线动量守恒定理和第二类拉格朗日方程建立了系统的动力学微分方程。基于奇异摄动理论将系统分解为一个表征载体姿态与关节轨迹跟踪的慢变子系统和一个表征柔性臂杆残余振动的快变子系统;据此设计了由慢变子系统的自适应神经网络容错控制器与快变子系统的线性二次型最优调节器组成的复合控制器;其中,慢变子系统的容错控制器使得系统对执行器故障不敏感,保证了跟踪误差的渐进收敛;快变子系统的最优调节器可以有效地抑制柔性臂杆引起的残余振动,减少能量损耗。对比数值仿真校验了理论推导的正确性与复合控制策略的可行性。     

Two kinds of tube elements for transient thermal–structural analysis of large space structures

Two kinds of thin‐walled tube elements are presented for transient thermal–structural analysis of large space structures by the finite element method. Not only the average temperature, but also the perturbation temperature in the cross‐section of the tube is considered in the present elements. These two temperatures are decoupled in the deduction about the new elements and the non‐linear analysis is restricted to solving the equations of average temperature. Therefore, the magnitude of the non‐linear analysis can be reduced by the presented method. The main difference between the two kinds of thin‐walled tube elements is in the shape functions of the temperature along the circumference of cross‐section. Corresponding to the transient temperature field, quasistatic thermo‐elastic analysis is also introduced. Three examples are shown and the effectiveness of the new elements is discussed. Copyright © 2004 John Wiley & Sons, Ltd.