航天器挠性梁伸展动力学特性数值分析

利用动量矩定理推导出滞挠性伸展梁航天器的姿态动力学方程,推导了梁质量微元的动力学方程,在梁等速伸展的情况下对动力学方程进行变换,通过Runge-Kutta积分法得出了数值解,结果表明：梁等速伸展时,其振动的振幅随其长度的增长而增大;随航天器初始姿态角速率的增大而增大;随伸展速率的增大而减小,航天器姿态角速率随梁伸展长度的增长而减小。     

柔性全充液航天器大角度姿态机动混沌动力学

研究了受液体燃料黏性阻尼及柔性附件扭振影响的全充液航天器由最小惯量轴向最大惯量作大角度姿态机动过程中的混沌姿态动力学, 尤其是液体燃料和柔性附件振动的耦合效应对航天器姿态动力学的影响. 推导了耦合系统的动力学方程并利用尺度化方法将其转化为扰动系统的标准形式以便应用Melnikov方法对系统进行混沌姿态预测.推导了以系统参数形式表达的混沌姿态预测的解析准则. 将利用数值方法所得到的对系统的数值仿真结果与Melnikov解析准则进行了比较和评述. 研究了诸如航天器构型、液体燃料惯量及阻尼、柔性附件固有频率等系统特征量对混沌姿态的影响.      

含间隙铰接的柔性航天器刚柔耦合动力学与控制研究

大型柔性航天器展开锁定后,运动副中仍存在大量无法消除的间隙. 铰链间隙直接影响柔性航天器的姿态 运动和有效载荷的指向精度及稳定度,会对航天器的动力学特性造成较大的影响. 针对这一问题, 提出一种含间隙铰 接的航天器刚柔耦合动力学建模与控制方法. 首先建立含间隙的铰链精确动力学模型,从而构建含间隙铰接的柔性结构 动力学模型. 然后利用哈密顿原理和模态离散方法,建立含间隙铰接柔性航天器离散形式的刚柔耦合非线性动力学 模型,采用 Newmark 算法对非线性动力学方程进行求解. 基于压电纤维复合材料 (macro fiber composite, MFC) 驱动器 构建航天器的刚-柔-电耦合动力学方程,采用最优控制设计控制律. 分析了铰链参数、中心刚体转动惯量、间隙尺寸和间隙数目对航天器动力学特性的影响,着重研究了铰链间隙对航天器姿态运动和结构振动的影响作用. 最后采用 MFC 驱动器对航天器施加主动控制. 结果表明,铰链参数和中心刚体转动惯量影响航天器的固有频率;随着铰链间隙尺寸的增大及间隙数目的增多,航天器的整体刚度逐渐减小,而航天器的姿态角和振动位移响应不断增大;通过基于 MFC 的主动控制,能够实现含间隙铰接航天器姿态运动与结构振动的协同控制,并缓解间隙对系统动态特性造成的影响.      

控制一类磁性刚体航天器的混沌姿态运动

本文研究一类磁性航天器的混沌姿态运动及其控制,建立了在近地球赤道面圆轨道上运动受万有引力矩、磁力矩作用磁性刚体航天器姿态运动的动力学方程。采用时间历程、Poincare截面、Lyapunov指数和功率谱对系统的动力学行为进行数值识别,结果表明随着磁场参数的增大系统动力学行为由准周期环面破裂而出现混沌。利用输入－输出反馈精确线性化的方法将航天器的混沌姿态控制运动控制为姿态静止和按给定的周期规律运动,数值结果表明该控制方法的有效性。     

DYNAMICS AND CONTROL OF RIGID-FLEXIBLE COUPLING FLEXIBLE SPACECRAFT WITH JOINT CLEARANCE1)

大型柔性航天器展开锁定后,运动副中仍存在大量无法消除的间隙. 铰链间隙直接影响柔性航天器的姿态 运动和有效载荷的指向精度及稳定度,会对航天器的动力学特性造成较大的影响. 针对这一问题, 提出一种含间隙铰 接的航天器刚柔耦合动力学建模与控制方法. 首先建立含间隙的铰链精确动力学模型,从而构建含间隙铰接的柔性结构 动力学模型. 然后利用哈密顿原理和模态离散方法,建立含间隙铰接柔性航天器离散形式的刚柔耦合非线性动力学 模型,采用 Newmark 算法对非线性动力学方程进行求解. 基于压电纤维复合材料 (macro fiber composite, MFC) 驱动器 构建航天器的刚-柔-电耦合动力学方程,采用最优控制设计控制律. 分析了铰链参数、中心刚体转动惯量、间隙尺寸和间隙数目对航天器动力学特性的影响,着重研究了铰链间隙对航天器姿态运动和结构振动的影响作用. 最后采用 MFC 驱动器对航天器施加主动控制. 结果表明,铰链参数和中心刚体转动惯量影响航天器的固有频率;随着铰链间隙尺寸的增大及间隙数目的增多,航天器的整体刚度逐渐减小,而航天器的姿态角和振动位移响应不断增大;通过基于 MFC 的主动控制,能够实现含间隙铰接航天器姿态运动与结构振动的协同控制,并缓解间隙对系统动态特性造成的影响.     

基于修正偶应力理论的Euler-Bernoulli微梁的尺寸效应研究

为研究Euler-Bernoulli微梁的尺寸效应,基于修正偶应力理论推导了梁的变形能计算公式,得到了反映尺寸效应的量纲归一化刚度公式;利用最小势能原理求解了Euler-Bernoulli微梁,得到了反映尺寸效应的量纲归一化挠曲线方程和量纲归一化最大应力方程。通过数值模拟计算,研究了Euler-Bernoulli微梁的刚度和强度等力学特性的尺寸效应,分析了泊松比对Euler-Bernoulli微梁的刚度和强度等力学特性的影响。分析结果表明:在微尺寸范围内Euler-Bernoulli微梁的刚度随尺寸的增大而减小,其强度则随尺寸的增大而增大,当量纲为一的高度大于20时,Euler-Bernoulli微梁的尺寸效应不明显,可忽略不计;泊松比越大,微梁强度越大,刚度越小,当量纲为一的高度大于20时,泊松比对微梁强度和刚度的影响可忽略不计。     

考虑端部质点的中心刚体-楔形梁系统动力特性研究

对带有端部质点的中心刚体-楔形梁系统的动力学特性进行了研究．楔形梁为Euler Bernoulli 梁,其宽度与高度随着长度方向改变．采用假设模态法对楔形梁的变形场进行离散,在考虑梁的横向和纵向变形以及由于横向弯曲而引起的纵向缩短量的条件下,运用第二类拉格朗日方程推导出系统的动力学方程,并编制动力学仿真软件．通过仿真算例对系统的动力学特性进行研究,结果表明：同等条件下梁的形状与有无端部质点对系统的刚柔耦合动力学响应以及系统频率的影响十分明显．因此采用楔形梁结构进行仿真更具实际意义且仿真结果更加精确．     

基于非约束模态刚柔耦合系统的动力刚化分析

以挠性航天器为研究对象,引入非约束模态概念,建立了含有动力刚化效应的刚柔耦合动力学模型。首先,根据Hamilton变分原理建立挠性航天器动力学模型;然后,根据非约束模态正交性分离振型,得到离散化的非约束模态的动力学模型;最后,对给定激励下动力学方程仿真,并与约束模态情况进行对比。仿真结果表明:非约束模态一次动力学模型的广义刚度随航天器转速提升而增大,且随转速的提升更加明显,出现动力刚化现象,非约束模态零次动力学模型广义刚度随航天器转速的提升出现为负的情况,不存在动力刚化现象;基于非约束模态一次动力学模型挠性附件的响应振幅较约束模态刚柔耦合系统小,且随航天器转速的提升同样不会出现发散情况,适用于航天器在任何转速情况下建模。非约束模态零次动力学模型挠性结构振动振幅随转速的提升出现发散情况,即便非约束模态建模方法优于约束模态,非约束模态零次模型也不适用于航天器高转速情况。     

航天器姿态动力学中的稳定性、分岔和混沌

讨论航天器姿态动力学中的若干非线性问题．总结了多刚体、柔性体和充液体航天器姿态 稳定性的研究成果．综述了航天器姿态运动的分岔和混沌的研究进展．展望了该领域的发展趋势．     

考虑铰摩擦的柔性太阳阵展开动力学研究

研究了空间漂浮航天器太阳阵展开与锁定过程的刚柔耦合动力学问题. 基于Jourdain 速度变分原理和单项递推组集方法, 建立了太阳阵展开与锁定过程的刚柔耦合多体系统动力学模型,采用虚功率原理推导了铰摩擦对系统动力学方程的贡献. 在以上动力学模型中引入3-D 鬃毛摩擦模型来研究铰链的摩擦特性对太阳阵展开动力学的影响. 所建动力学模型的正确性通过与商业软件ADAMS 和NASTRAN 的联合仿真对比得到了验证,该模型能够有效地预测太阳阵的展开历程以及航天器姿态的动态行为.      

三组结构面状态下不同产状结构面的力学效应研究

本文分析了三组结构面产状模型力学实验结果, 揭示了这种组合条件岩体中产生压剪区、张剪区及结构面、结构体的多种变形成分, 也揭示了压剪区和张剪区形成机理、及三组结构面组合下结构面产状的力学效应。     

混凝土疲劳分析方法综述

从探究物理机制的视角对混凝土疲劳研究进行了逻辑上的梳理,表明既有研究可分为3 类主要模型:基于疲劳试验分析的现象学模型、基于断裂力学的疲劳裂纹扩展模型和基于损伤力学的疲劳损伤演化模型. 通过解析具有典型性的研究,论述了不同类型研究的特点. 进而,从还原论的角度出发,阐明了速率过程理论可以作为解释混凝土材料疲劳损伤演化的物理基础. 注意到疲劳试验结果所表现出的显著随机性,阐述了应以物理随机系统思想研究混凝土疲劳问题的观点.     

热弹性通解完备性的一个新证明

关于线性各向同性热弹性问题,M.A.Biot提供了一个通解表达式,A.Verruijt证明了这个通解式的完备性。但是此证明十分冗长.本文提供一个完备性证明,这个证明比[2]的证明要简明得多.     

CHARACTERIZATION OF POWDER FLOWABILITY USING MEASUREMENT OF ANGLE OF REPOSE

In response to the need in industry for a quick and reproducible method of measuring the flowability of powders in processes involving transport and storage, the apparently simple idea of measuring angle of repose has been revived. The simple tester first used has evolved over a number of years into the present version which is shown to be capable of handling quite small samples of powders that are even slightly cohesive. Experimental data are presented and results shown to compare consistently with the better known Hausner ratio.     

一类二自由度系统振动的黄金分割率

作为数学史上一个重要的比例关系,黄金分割理论已在美学、建筑学甚至工程学中发挥了一定的作用.为了研究一类二自由度系统振动的黄金分割效应,首先介绍了黄金分割的基本理论,然后分别分析了该类二自由度体系的自由振动特征,以及简谐载荷作用下受迫振动的共振机制.结果表明,结构圆频率与层刚度和质量之比、两结构质点振幅之比都符合黄金分割率,结构在振动中具有和谐之美.     

浮体平衡稳定性的研究和应用

本文研究了几种简单的浮体和船体模型的稳定性,并对船体模型能承受的最大外力矩作了分析和计算,然后将这些分析和计算方法推广到任意形状的实际船体。这对船舶设计提供了一定的参考。本文对浮体稳定平衡的6种判据作了比较,指出各自的优点和局限性,以及相互关系。这对澄清有关的基本概念,改进该领域的教学和研究,会有所助益。     

CHARACTERIZATION OF POWDER FLOWABILITY USING MEASUREMENT OF ANGLE OF REPOSE

In response to the need in industry for a quick and reproducible method of measuring the flowability of powders in processes involving transport and storage, the apparently simple idea of measuring angle of repose has been revived. The simple tester first used has evolved over a number of years into the present version which is shown to be capable of handling quite small samples of powders that are even slightly cohesive. Experimental data are presented and results shown to compare consistently with the better known Hausner ratio.     

超弹性材料本构关系的最新研究进展

超弹性材料是工程实际中的常用材料, 具有在外力作用下经历非常大变形、在外力撤去后完全恢复至初始状态的特征. 超弹性材料是典型的非线性弹性材料, 其性能可通过材料的应变能函数予以表征. 近几十年来, 围绕应变能函数形式的构造, 已提出许多超弹性材料本构关系研究的数学模型和物理模型, 但适用于多种变形模式和全变形范围的完全本构关系仍是该领域期待解决的重要问题. 本文从3个不同角度, 对超弹性材料本构关系研究的最新进展进行了总结和分析: (1)不同体积变化模式, 包含不可压与可压两种; (2)多变形模式, 包含单轴拉伸、剪切、等双轴以及复合拉剪等多个种类; (3)全范围变形程度, 包含小变形、中等变形到较大变形范围. 超弹性材料本构关系研究的最新进展表明, 为了全面描述具体材料的实验数据并在实际问题中应用超弹性材料, 需要建立适合于多种变形模式和全变形范围的可压超弹性材料的完全本构关系. 对实际超弹性材料完全本构关系的建立及可压超弹性材料应变能函数的构造, 笔者还提出了相应的实施步骤和研究方法.