考虑刚-柔-热耦合的板结构多体系统的动力学建模

对热载荷作用下中心刚体与大变形薄板多体系统的动力学建模问题进行研究.基于Kirchhoff假设,从格林应变和曲率与绝对位移的非线性关系式出发,推导了非线性广义弹性力阵,用绝对节点坐标法建立了大变形矩形薄板的有限元离散的动力学变分方程.为了考虑刚体姿态运动、弹性变形和温度变化的相互耦合作用,推导了热流密度与绝对节点坐标之间的关系式.引入系统的运动学约束方程,建立了中心刚体-矩形板多体系统的考虑刚-柔-热耦合的热传导方程和带拉格朗日乘子的第一类拉格朗日动力学方程.为了有效地提高计算效率,将改进的中心差分法和广义-α法相结合,求解热传导方程和动力学方程,差分后的方程通过牛顿迭代法耦合求解.对刚-柔耦合和刚-柔-热三者耦合两种模型的仿真结果进行比较表明,刚体运动对温度梯度和热变形的影响显著.此外,本文建模方法考虑了几何非线性项,因此也考虑了热膨胀引起的轴向变形对横向变形的影响.     

太阳帆航天器展开机构柔性动力学建模

研究了大型太阳帆航天器展开机构的柔性动力学建模问题。首先对结合模态综合法和混合坐标法介绍了太阳帆展开机构柔性动力学一般模型建立过程。根据工程需要对展开机构进行模态分析,给出了工程实用的各耦合系数的计算表达式,并计算出各耦合系数。     

热辐射及重力梯度对大型空间柔性梁结构振动影响分析

鉴于大型航天器在轨服役期间会受到万有引力梯度、热辐射等复杂载荷作用,致使结构诱发热-结构耦合振动现象.因此,本文将研究万有引力梯度和热辐射载荷作用下大型空间柔性梁的动力学行为.首先,基于绝对节点坐标方法和热-结构耦合理论,建立柔性梁的数学模型;其次,通过Legendre变换,推导出Hamilton 体系下柔性梁结构的对偶方程;然后通过数值仿真,研究了无地球阴影时柔性梁的热致振动,发现柔性梁结构的位移响应包括万有引力梯度引起的振动和热致振动,其运动较为稳定;进一步的,数值结果表明地球阴影对柔性梁的热致振动幅值以及稳定性有着非常显著的影响.同时,针对地球静止轨道上的柔性梁,发现热致振动影响大于万有引力梯度,并比较了柱形阴影和锥形阴影的影响.     

高超声速折叠翼展开动力学研究

折叠翼飞行器在飞行过程中通过机翼的展开与折叠,来满足不同飞行任务时的最优飞行性能.在飞行过程中,折叠翼能够顺利展开并安全锁定是折叠翼飞行器顺利完成任务的根本原因之一.因此,针对高超声速折叠翼被动展开过程,研究其精确动力学建模与仿真,优化系统参数与飞行姿态,使得折叠翼展开锁定后的冲击响应满足结构要求.首先,采用绝对节点坐标法建立柔性折叠翼的柔性多体系统动力学模型,采用活塞理论建立气动力模型,从而形成折叠翼的柔-流耦合动力学模型,并采用广义a算法求解.其次,研究被动展开扭杆参数、阻力扭簧参数与飞行姿态等对高超声速折叠翼被动展开动态过程的影响,优化系统参数,有效降低展开锁定后的冲击响应.     

SMA在星载天线上的热变形控制研究

为了保证星载大型可展开桁架天线在轨运行时能可靠的工作,就必须对其进行在轨热变形控制.通过使用ANSYS软件对可展开天线加入NiNi形状记忆合金丝且在轨道的不同位置点的情况进行了计算,得出了天线反射面的均方根误差.通过研究可以发现,在周边桁架天线中嵌入SMA后减小了天线反射面的均方根误差,从而达到了保证天线型面精度的目的.     

径向加强肋-薄膜伞状天线结构动力学建模与数值仿真

大型空间可展开抛物面天线由于其特殊的应用价值,近年来广受人们关注.本文研究的径向加强肋-薄膜伞状天线是其中一种典型的非线性结构系统,为了掌握其在轨动力学特性,合理精确地建立径向加强肋-薄膜伞状天线的结构动力学模型至关重要.为描述径向加强肋-薄膜伞状天线物理模型中的预紧力问题,引入温度预应力等效方法解决天线结构模态的初始条件施加问题,通过有限元求解获得了其动力学特性,为径向加强肋-薄膜伞状天线的结构设计与力学研究提供了依据,并为其工程化实施奠定了理论研究基础.     

空间可展薄膜平面结构的动力学建模及在轨参数辨识研究

大尺度薄膜结构平面天线由于轻质、超柔特点,其动力学性能参数较为复杂.为掌握其在轨结构动力学特性,基于温度-结构预应力导入方法建立了大型空间可展薄膜结构的动力学模型,分析了可展薄膜结构的动力学特性.通过建立的动力学模型,采用特征系统实现算法(ERA)对薄膜结构平面天线的模态参数在轨辨识进行研究.辨识结果与仿真分析结果对比...     

柔性梁线接触碰撞的动力学建模和实验研究

研究作旋转运动的柔性梁的线接触正碰撞问题.基于Goldsmith的线接触撞击力模型,分别用基于小变形的混合坐标法和基于大变形的绝对坐标法建立了柔性梁的动力学方程,考虑了几何非线性效应.在此基础上,进一步考虑非线性阻尼项的影响,将Hunt,Crossley的阻尼模型推广到线接触问题.介绍了柔性梁线接触碰撞的实验方法.计算结果显示,在考虑阻尼的情况下,计算结果与实验结果吻合很好.比较了混合坐标法和绝对坐标法的撞击力计算结果,与实验结果对比表明,绝对坐标法更适用于大变形的撞击问题.     

基于Lagrange法的刚体与柔体动力学对比研究

对于机器人、航天器和车辆悬架部件等一些多体系统来说,其中一些部件的大尺寸、轻型化趋势使得传统的刚性体建模已经难以准确地模拟实际的工况,将部件所具有的柔性特性加入到多体系统模型中进行柔体动力学仿真,由于考虑了部件弹性变形与大范围刚性运动之间的耦合,故可以得到部件更为真实的动力学行为.文中通过与基于Lagrange法的刚体动力学基本方程进行对比研究,详细说明了柔体动力学方程中上述的耦合作用.以某大型雷达可展开天线为例,分别在刚体和柔体的假设下对其展开运动进行动力学仿真,结果表明采用柔性体仿真更能真实反映其动力学特性.     

基于拉格朗日描述的罐车内液体晃动模拟

基于拉格朗日描述的柔性多体系统动力学理论,采用绝对节点坐标有限元方法描述液体大变形运动,开展铁路液罐车内液体晃动模拟研究.本方法能够模拟液体自由表面的连续性变化,并适用于研究具有复杂外形容器的内部液体晃动问题.基于流体力学牛顿体基础理论,推导液体粘性方程和满足体积不可压缩的条件方程;采用基于绝对节点坐标方法描述的实体单元进行液体网格划分;采用罚函数方法描述液体与罐体之间的接触关系,组建液体-罐体耦合多体系统动力学方程.仿真计算液罐车内液体的横向和纵向晃动行为,发现液体自由表面形状呈非线性变化,不同断面处的高度和形状不同.     

环型桁架卫星天线的非线性动力学分析

我国航天工业迫切需要掌握可入轨后展开的大型网架式空间结构技术,而环形桁架可展天线具有应用空间大、结构形式简明的特点,是目前大型卫星天线较为理想的结构形式~([1-3]).本文基于Zhang et al建立的环形天线模型为研究对象并在此基础上建立了天线振动时的非线性常微分运动方程,运用matlab数值模拟方法研究了热激励对系统非线性动力学行为的影响.     

横风下高速列车系统动力学的平衡状态法

基于车辆-轨道耦合动力学和空气动力学提出了一种快速计算横风下高速列车系统动力学行为的平衡状态方法.首先,忽略轨道不平顺并利用流固耦合联合仿真方法计算横风下高速列车的平衡状态;然后,将平衡状态下的气动力加载到车辆-轨道耦合动力学模型并计算高速列车动力学响应.利用建立的平衡状态方法,研究了列车在速度为13.8 m/s的横风下以350 km/h速度运行时的流固耦合动力学行为.比较了平衡状态方法和联合仿真方法两种方法下列车姿态、安全性和舒适性指标的差异,计算结果差别在3.26%以内.研究结果表明:平衡状态方法计算横风下高速列车流固耦合的效率更高.     

星载大型可展开桁架天线热变形分析

为保证某星载大型可展桁架天线在轨运行时能可靠工作,对其进行建模并用有限元法分析该模型;用I-deas计算天线在不同轨道位置的温度场分布;以计算得到的温度作为结构分析的载荷,计算天线反射面在各轨道位置上的均方根误差,实现天线在空间环境下的温度场和热变形分析.该方法对星载天线的结构设计和热控制起到一定的参考作用.     

作大范围运动弹塑性平面板的动力学分析

研究作大范围运动弹塑性平面板的动力学特性.考虑了几何非线性和材料非线性,基于平面应力假设、Mises屈服条件和流动法则,采用绝对节点坐标法,用虚功原理建立了作大范围运动弹塑性平面板的动力学方程.在数值计算时将各时刻的塑性应变储存在全局数组中,实现了塑性应变的迭代计算.通过对带集中质量、作大范围运动平面板的数值仿真研究塑性效应对系统的动力学特性的影响.     

基于整体-局部高阶剪切理论的层合板多体系统的动静力学分析

基于高阶剪切理论,推导了整体-局部1,2-3高阶位移模式.在满足层间位移连续,层间剪应力连续,以及上下表面自由的条件下,层合板每个节点的独立变量变为13,并且不随层合板层数的增加而变化.在此基础上将整体-局部1,2-3高阶位移模式推广到刚-柔耦合层合板多体系统,利用混合坐标法,基于虚功原理,建立了考虑层合板层间应力连续的多体系统动力学方程.通过静力学算例,验证了整体-局部1,2-3高阶位移模式的准确性,得到了层合板层间应力沿着厚度的分布情况.通过多体系统动力学算例,对比了传统方法的计算结果,揭示了本文方法与传统方法在计算层合板多体系统中层间应力的差异,说明了刚-柔耦合层合板多体系统考虑层间剪应力连续的必要性.     

绝对节点坐标法下斜率不连续问题处理方法讨论

Shabana提出的绝对节点坐标法,引入节点斜率坐标作为节点自由度描述转动.对于由梁板壳及块体组成的组合结构,在结构节点处相交单元的节点斜率自由度不连续,这给组合结构的建模和分析带来特殊的困难.本文讨论了文献中研究斜率不连续问题时的处理办法.在简要介绍绝对节点坐标法后,详细地讨论了经典折梁算例和截面呈阶梯变化的直梁算例中斜率不连续问题.对这两个算例,本文采用约束函数法和现有文献中的转换坐标方法,计算了在结构节点处相交杆件的轴向应变,对比这些数值结果,本文指出现有文献中的转换坐标办法,忽视了斜率自由度和转角自由度的差别,从而不能正确给出斜率不连续处相交杆件的轴向应变,需要进一步研究.     

基于优化策略的混合定位算法

针对无线传感器网络(Wireless sensor network, WSN)的应用需求提出一种基于优化策略的混合节点定位算法. 选择1-hop节点最多的点作为初始点, 利用多维标度(Multi-dimensional scaling, MDS)方法计算初始节点及其1-hop节点的相对坐标, 并将这些节点的坐标发送给周围未定位节点; 未定位的节点根据接收到的坐标与节点间的距离, 利用极大似然法估算自身的坐标; 最后通过坐标变换计算所有节点的绝对坐标. 在此基础上, 进一步提出将本文节点定位算法与集中式和分布式优化策略相结合来优化网络节点的估计坐标, 以提高节点定位精度. 仿真结果表明本文提出的算法是有效的, 能够较好地完成无线传感器网络节点的定位.     

磁浮列车车轨耦合振动仿真研究

为了分析车轨道耦合振动过程中各因素的影响,建立了车体-悬浮架-轨道的简化动力学模型和动力学方程,利用数值方法研究了一节列车在静态悬浮过程中,整个车体与轨道耦合振动的垂向动力学行为.分析了轨道和车辆主要参数对振动的影响,并给出了仿真结果.仿真结果表明,轨道的抗弯刚度,长度,车轨质量比,以及车辆的悬浮刚度对于耦合振动影响较大;同时经过二系悬挂的衰减,车厢的振动较小.结论可供车辆悬浮控制器设计和轨道梁设计参考.     

空间充气展开绳网系统捕获目标自抗扰控制研究

空间充气展开绳网系统是依靠充气梁展开绳网进行目标捕获的航天器系统,具有更好的稳定性和可操控性.然而由于充气梁和绳网的大柔性变形以及捕获失稳自旋目标后的未知碰撞,使得捕获后的航天器姿态稳定控制困难.本文主要基于自抗扰控制解决了空间充气展开绳网系统捕获目标后的姿态稳定和消旋难题.首先,基于理想薄膜充压失效理论和绝对节点坐标方法建立充气展开绳网系统动力学模型,而后设计了航天器姿态稳定自抗扰控制器,用于实时估计并补偿系统捕获过程中未知惯量目标与捕获机构的碰撞干扰.仿真结果表明,动力学模型能够模拟捕获过程中充气梁的屈曲失效及碰撞特性,自抗扰控制器能够有效抑制碰撞带来的干扰,实现空间充气展开绳网系统捕获后的高精度姿态稳定控制,同时能够在有限时间内对自旋目标实现消旋.     

哑铃型航天器刚-柔耦合动力学建模与仿真分析

为满足深空探测的需求,需要构建一种全新的哑铃型航天器.由于构型和质量分布的差异,传统"中心刚体+柔性附件"动力学模型将不再适用,因此必须针对该构型建立一种高效准确的动力学模型.本文基于小变形假设,利用浮动坐标法,采用多体系统动力学单向递推组集方法,建立了哑铃型航天器的刚-柔耦合动力学模型.该模型考虑了哑铃型航天器的轨道-姿态-变形之间的耦合效应,保留了全部变形高次耦合项.通过采用本文方法建立的"刚体-桁架-刚体"模型和已有的两种哑铃型航天器模型,对典型算例进行动力学仿真和比较.仿真结果表明,本文模型很好地反映了哑铃型航天器的刚-柔耦合动力学特性,末端物体的转动惯量将会影响系统的动力学响应,不能简单忽略.本研究将为哑铃型航天器的总体设计,特别是控制规律的设计,提供重要的技术支持.