弹性DEM方法在杆系结构中的应用研究

基于颗粒离散元方法（DEM）,结合杆系结构的特点,提出了一种适于杆系结构问题分析的DEM模型。对颗粒元相应的质量和转动惯量计算公式进行了修正;通过能量等效原理推导了杆系DEM模型分析时弹簧接触刚度系数表达式;将瑞利阻尼引入到DEM方法之中,给出了阻尼常数计算公式并用算例进行了验证。将该方法应用于杆系结构弹性分析,包括静动力与几何非线性大变形问题的空间框架结构和网壳结构等多个算例,计算结果与有限元方法结果吻合良好。DEM方法的特点是将动力分析和几何非线性分析自动包含在运动方程的计算之中,不用组集刚度矩阵,无需迭代求解。杆系DEM模型非常适宜处理杆系结构大变形及动力非线性问题,尤其是在结构进入强非线性之后的模拟分析。     

航天器可展开支撑杆的研制及其收拢展开特性研究

复合材料豆荚杆是一种质量轻、刚度较大、收拢效率高、展开过程可靠的可展开管状杆结构。本工作对豆荚杆进行优化设计,并对多种豆荚杆试件进行性能测试与评估,选取其中综合性能优异的材料体系研制了2m长豆荚杆样机。利用研制的豆荚杆收展控制机构对豆荚杆的收拢-展开性能进行了测试,结果显示玻璃布/FEB豆荚杆可实现多次收拢-展开,其综合性能可基本满足空间可展开结构的性能需求。     

星载薄膜天线人形杆单侧驱动机构设计与试验研究

面向星载大口径薄膜天线在轨展开需求,开展高型面精度、大口径、轻量化和大折展比的空间薄膜天线人形杆折展机构创新设计及其动力学特性研究.提出一种带有径向预紧的人形杆单侧驱动机构,通过一个电机同时驱动滚筒和丝杠运动,当人形杆完全展开时径向预紧机构得到触发,实现人形杆根部的夹紧,从而提高整个薄膜天线展开状态的刚度和型面精度.对...     

攀达穹顶体系的运动过程分析

可变体系的展开过程既包含了机构运动又包含了弹性变形。该文采用了以自然坐标描述的多体系统动力学的有限元方法,根据最小应变能原理与拉格朗日乘子法给出了多体系统运动学基本方程的建立方法,并基于Hamilton原理给出了考虑机构运动与弹性变形的动力学方程。通过对简化的攀达穹顶模型展开过程的数值模拟,验证了理论方法的可行性,表明了结构构形与受力状况在体系展开过程中产生较大的变化。算例结果表明:攀达穹顶体系的展开程度与体系设计相关,“过度”的展开会使结构处于不利的受力状态。     

空间杆系机构运动路径的多重分岔分析

运动分岔是杆系机构平衡路径分析的重要理论问题。基于按有限元法建立的杆系机构运动方程,对运动路径奇异点的多重分岔特征进行了讨论。对空间杆系机构的分岔条件进行了理论解释。面向多重分岔问题对常规的奇异点定位方法进行了改进。将与切线刚度矩阵特征向量相关的干扰力向量引入到弧长法中,以实现多重分岔路径的跟踪。以一个由Pantadome系统简化的空间杆系机构为例,对其顶升过程的运动路径进行了数值模拟,利用该文方法有效地实现了顶升过程的奇异点判别及多重分岔路径的跟踪。     

大口径网面空间可展开天线结构撞击动力响应研究

在轨运行的大口径空间可展开天线可能会遭遇空间碎片的高速撞击,这严重威胁了星载天线的安全服役。为研究空间网面可展天线支承结构及抛物面索网在高速撞击时的动力响应,选用ANSYS/AUTODYN有限元软件,建立大口径空间网面可展开天线动力学撞击仿真模型,模拟天线展开锁定时遭遇2.5 mm～7.5 mm的空间碎片撞击的全过程动力响应。考虑1.0 km/s～15.0 km/s的撞击速度和不同撞击位置工况下,天线结构的整体动力响应、关键杆件及抛物面索网损伤状态以及结构整体变形性能。结果表明：空间可展天线结构受微小空间碎片撞击的结构响应过程可分为局部振动、拉索约束以及整体振动三个阶段,撞击点越靠近天线形心,结构响应越明显,结构的平均变形越大;随着撞击速度增大,可展天线的结构平均变形表现为先增加后减小趋势,当撞击速度大于12.5 km/s时,天线受撞击的影响区域逐渐缩小;空间可展天线受微小空间碎片高速撞击时整体形面变形不可忽视,可为后续天线结构防护及易损性分析提供参考。     

平面折展变形翼机构运动学与动力学分析

平面折展变形翼机构是一种可兼顾高低速工况的变形翼机构,该机构可实现翼弦、后掠角和机翼面积的变化。基于平面折展变形翼单元机构的结构组成,采用复数矢量法对单元机构进行运动学建模,采用达朗贝尔原理对单元机构进行动力学建模。采用Matlab软件对机构的动力学模型进行数值计算,并绘制机构所需的速度、加速度、平衡力的变化曲线。将数值计算结果与Adams仿真结果进行对比分析。研究结果表明：运用达朗贝尔原理对平面折展变形翼机构的单元模块进行动力学分析,可以得到机构在变形情况下的运动副约束反力和平衡力。通过对比理论计算和仿真分析结果,验证了平面折展变形翼机构动力学模型的正确性,可为该机构动力学特性的深入研究提供理论参考。     

含间隙铰的机械多体系统动力学模型

对四类间隙铰模型(连续接触模型、有限元模型、经典碰撞模型和接触变形模型)进行分析比较，给出了经典碰撞和接触变形模式的含间隙多体系统动力学模型。经典碰撞模式的动力学模型着重考察系统动力学的整体行为，不能预测碰撞过程中铰关节局部接触力的变化历程。接触变形模式的多体系统动力学模型考虑了碰撞体间的法向和切向接触力，以及阻力矩，能够求解系统运动过程中间隙铰轴销与孔体的碰撞力。采用间隙铰的非线性弹簧阻尼模型，研究了重力场及其方向性对空间可展机构动力学性能的影响。计算结果表明，无重力与有重力环境时含间隙可展机构动力学行为有较大地差别，重力作用使间隙铰内碰撞减弱。为了保证在地面试验中可靠地预测在太空展开性能，可展机构在地面试验时应采取重力补偿措施。     

可变杆系结构展开过程的数值模拟

可变结构的应用范围很广,如建筑和航空领域中的折叠帐篷、可展天线等。采用了以自然坐标描述的多体系统动力学的有限元方法,根据基于刚体假设的最小应变能原理与拉格朗日乘子法给出了多体系统运动学基本方程的建立方法,并结合Hamilton原理建立了约束多体系统动力学基本方程,并讨论了数值模拟的收敛准则。最后基于MATLAB软件平台编制了多体系统动力学的有限元分析程序,通过对平面双摆机构的数值模拟,表明需要考虑数值阻尼以保证数值稳定及精度。最后对一四连杆机构的运动过程进行了数值模拟,验证了该文方法适用于可变杆系结构展开过程分析的可行性。     

板片体系壳形结构非线性稳定的简化分析

板片空间结构体系是由空间杆系与轻质板材组合而成的一种新型空间结构体系，在将这种结构体系应用于大跨度结构，特别是大跨度壳形结构时，其结构计算的重点是几何非线性分析和稳定性分析，本文用等效桁架杆系代替板片，通过矩阵转换处理板系与杆系的连接与协调，然后用空间杆系结构的非线性有限地元法对该结构进行了非线性稳定分析，实践表明，这种分析方法简单，计算量小，结果也可民认满足工程设计的精度要求。     

陶瓷棒填充点阵金属夹层结构的制备及抗侵彻实验

为提高轻量化复合装甲的抗侵彻能力,提出了内部填充陶瓷棒并由混杂短切玻璃纤维的环氧树脂封装的点阵金属夹层防护结构。首先,通过弹道冲击实验研究了陶瓷棒填充点阵金属夹层防护结构的抗弹丸侵彻能力;然后,结合失效模式和吸能效率,综合分析了该夹层防护结构的抗侵彻机制。结果表明:陶瓷棒填充点阵金属夹层防护结构的主要失效模式包括点阵金属结构和混杂填充材料的拉伸断裂、陶瓷棒的破裂、面板和背板的局部剪切破坏以及背板的总体弯曲变形。在球形弹丸侵彻过程中,由于点阵金属结构的塑性大变形和剪切扩孔、陶瓷棒和环氧树脂的断裂破坏以及面板的宏观弯曲变形,防护结构的抗侵彻能力得到大幅提高。研究结果可为新型轻质复合装甲的防护设计提供一定参考。      

A Method for the Configuration Design of a Space Truss Deployable Mechanism and Its Application

A method based on the metamorphic principle is proposed for the analysis of the configuration design of a space truss deployable mechanism. The configuration change and correspondent topological graphs and adjacency matrixes at different work-stage of the mechanism,which is helpful to completely understand the composition and change rules of the metamorphic mechanism,are analyzed to indicate the metamorphic relationship in one working cycle. Furthermore,the static distance matrix,dynamic distance matrix and stiffness matrix of the mechanism are derived to assess the ability of the designed configuration to reveal some of the topological characteristics like compactness,dynamic sensitivity and stiffness. Using this proposed method in a space truss deployable mechanism helps the designer to evaluate its performance at the conceptual stage of design and make a rapid,reasonable selection for configuration design,which provides means for processing its type of analysis by computer.     

可展构架式抛物面天线背架模型设计

详细介绍了一种可展构架式抛物面天线的设计思想及过程,从单元分析入手,构造整体结构,由于其展开过程不需要外加的动力,由对角杆中的弹簧驱动就可以完成,空间应用有一定的实用性,所以这种天线有很好的应用前景。     

Ultra-efficient wound composite truss structures

This paper presents the design, analysis, manufacturing, experimental testing, and multiobjective optimization of a new family of ultra-efficient composite truss structures. The continuously wound truss concept introduced here is a versatile, low cost and scalable method of manufacturing truss structures based on a simple winding process. A prototype truss configuration is shown and experimentally characterized under torsion and three point bending loads. A large deformation implementation of the direct stiffness method is shown to provide good prediction of the stiffness properties of the prototype truss. This model is extended to include strength prediction with multiple failure modes. The design space achievable with these truss structures is then explored through multiobjective optimization using the NSGA II genetic algorithm. These continuously wound truss structures have the potential to provide between one and two orders of magnitude increase in structural efficiency compared to existing carbon fiber composite tubes.     

基于有限质点法的三维固体弹塑性问题求解

有限质点法是一种新型的数值方法,可有效求解结构或机构的大变位、大变形及其相互耦合等复杂行为,目前已经应用于无穷小机构、可展结构、接触碰撞、结构倒塌破坏、结构屈曲、索杆结构、平面固体、膜结构的找形及褶皱、结构多尺度、结构精细化等方面的研究,均取得了较好的效果。为形成从平面固体到三维固体及弹塑性等问题的完整研究体系,该文基于有限质点法推导了一种适用于三维固体非线性问题分析的四面体固体元,并将其应用于弹塑性问题的求解。通过自编程序,分别计算静力,动力等经典算例,并将该方法的计算结果和有限元法及试验结果进行了对比。结果表明,该方法能够有效地求解三维固体的弹塑性等静动力问题。     

不稳定空间展开折叠桁架结构稳定过程分析

本文以理想桁架节点笛卡尔坐标为未知量,全面建立了复杂不稳定空间展开折叠桁架结构的几何约束方程,并推导出相应的几何约束Jacobi矩阵,建立了线性稳定过程分析的理论与方法,阐明了稳定过程的力学机理,明确提出稳定目标函数,且分析了稳定状态的力学特点,并考虑了几何约束二阶项对稳定过程解的影响。最后,数值算例验证了该方法、程序的正确性与适用性。     

空间望远镜层合材料镜片展开过程非线性动力学行为分析

为了研究空间望远镜柔性子镜展开过程对镜片型面精度和望远镜系统的扰动问题,以花瓣式可展开空间望远镜抛物层合镜片为研究对象,基于绝对节点坐标法,采用考虑初始形态曲率的曲壳单元对镜片的形变位移进行描述,表征了层合镜片几何非线性关系与材料非线性关系下的应变和应力关系。利用虚功原理推导了傍瓣子镜展开过程的耦合动力学方程,考虑了镜片弹性变形与大范围运动的耦合作用。针对使用的曲壳单元和传统建模方式,分别对镜片展开过程进行仿真分析,结果表明使用绝对节点坐标法更有利于描述柔性体大变形与大范围运动的耦合,壳单元在描述曲壳结构时更加精确。铰链驱动力矩能够激发镜片的振荡,特别是在多镜片同时展开时,多柔体的耦合作用会严重影响镜面的型面精度,进而扰动卫星本体的姿态。结论对空间望远镜的镜面精度和姿态精度的分析与控制具有理论价值和工程实际意义。     

可变体系运动与变形混合问题的拟动力解法

土木工程中常遇到在施工安装过程中经历较大机构位移和弹性变形的可变体系。该文基于可变体系的动力运动方程,采用考虑大位移的几何非线性单元对可变体系进行离散,将直接积分法与动力松弛法相结合,在直接积分法的逐步求解过程中引入动力阻尼,提出了可变体系混合问题的拟动力分析方法,编制仿真程序进行了算例分析。计算结果表明:采用该文方法可有效跟踪求解可变体系机构运动与弹性变形混合问题的全过程路径。     

拉压刚度不同桁架的动力参变量变分原理和保辛算法

对于一些展开结构,为达到其设计性能,必须采用特殊的索、膜结构,这些索、膜部件表现出不同的拉压性质。具有拉、压不同性质的材料或结构的力学分析,体现出较强的非线性特征,需要针对这类问题发展有效的求解算法。本文建立了由拉压刚度不同杆单元组成的桁架结构的动力学参变量变分原理,将拉压刚度不同桁架问题的非线性动力分析转换为线性互补问题求解。结合时间有限元方法构造了求解此问题的保辛数值积分方法,此方法不需要迭代和刚度矩阵更新,避免了迭代求解方法的收敛问题,计算过程稳定、高效。     

SVD方法在折叠结构分析中的应用

折叠结构是近年来应用越来越广泛的一种可展开结构形式。将折叠结构分类为刚性和柔性折叠结构。引入了平衡矩阵的奇异值分解(SVD)方法并解释了其力学含义。采用该方法对静不定动不定折叠体系进行了求解,确定了铰接式折叠结构的运动分歧点并求解了其高阶相容方程。给出了悬臂和拱形折叠结构及铰接式三杆折叠结构的算例分析。