条带式太阳帆的结构动力学分析

依靠光压推进,太阳帆被认为是最可行的星际探测航天器,太阳帆结构总体方案主要有两类:桅杆式和旋转式,其中,帆膜被分割成窄条的条带式太阳帆在桅杆式太阳帆中具有较为理想的结构效率,如何准确计算条带式太阳帆的结构动力学特性值得研究.本文对条带式太阳帆结构的振动特性和结构稳定性进行研究,将太阳帆看作是由若干个桅杆–膜带组件依次连接而成的整体结构,桅杆–膜带组件由4根桅杆段和4条薄膜条带组成,分段轴压作用下的桅杆与薄膜条带耦合振动.考虑帆面薄膜条带与支撑桅杆之间的耦合振动,采用分布传递函数法建立了的条带式太阳帆的结构动力学模型,推导了条带式太阳帆结构自由振动和失稳载荷的求解方法.研究表明:条带式太阳帆构型有利于提高太阳帆结构的整体刚度和结构稳定性,随着帆面薄膜条带数目的增加,太阳帆结构的振动频率和失稳载荷增大;随着帆面薄膜预应力的增大,太阳帆结构振动的基频减小,稳定性变差;随着支撑桅杆刚度的提高,太阳帆结构整体的振动频率和失稳载荷增大.本文建立的解析求解方法具有求解效率快和精度高的特点,为条带式太阳帆的结构设计和姿态控制提供了有力的分析工具.     

DYNAMIC ANALYSIS OF SPINNING DEPLOYMENT OF A SOLAR SAIL COMPOSED OF VISCOELASTIC MEMBRANES

近年来, 可用于航天器推进的太阳帆自旋展开技术引起人们广泛关注. 这类太阳帆可视为由中心旋转毂轮、若干柔性绳索、太阳帆薄膜和集中质量等组成的刚柔耦合多体系统.为了对系统中的太阳帆薄膜进行建模, 提出了基于绝对节点坐标方法描述的黏弹性薄板单元, 并对其有效性进行了验证.针对简化的"IKAROS"自旋展开太阳帆系统, 采用结合自然坐标方法与绝对节点坐标方法的绝对坐标方法对其进行建模, 采用广义-α方法对大规模系统动力学方程进行求解.研究了黏弹性太阳帆薄膜自旋展开过程的动力学特性, 讨论了薄膜的黏弹性阻尼对自旋展开过程的影响规律.     

数字状张拉整体结构的构型设计与力学性能模拟

针对大型张拉整体结构的设计问题,选取四棱柱状张拉整体结构和截角正八面体状张拉整体结构作为基本胞元,采用节点连接节点的方式建立球柱组合式数字状张拉整体结构,并使用基于结构刚度矩阵的大变形非线性数值求解方法对其进行力学性能分析.在两类胞元满足各自的自平衡条件和稳定性条件的前提下,组合得到的数字状张拉整体结构亦处于自平衡稳定状态,搭建了实物模型进行验证.以数字8状张拉整体结构为例,模拟研究了结构承受自重等分布载荷和单轴拉压等端部载荷时的静力学响应,以及结构无阻尼振动时的固有频率和模态等动力学性能.结果表明,结构在自重作用下的变形行为受初始预应力、压杆密度和拉索刚度的影响较大,对其进行合理配置方可确保结构具有足够刚度抵抗自重;结构在单轴拉压作用下呈现非线性的载荷-位移曲线,拉伸刚度随变形量的增大而增大,压缩刚度随变形量的增大而减小;结构的固有频率随初始预应力的增大而增大,而模态振型基本不变.研究结果丰富了大型张拉整体结构的外形种类,有望推动此类结构在土木建筑、结构材料等领域的应用.     

数字状张拉整体结构的构型设计与力学性能模拟

针对大型张拉整体结构的设计问题,选取四棱柱状张拉整体结构和截角正八面体状张拉整体结构作为基本胞元,采用节点连接节点的方式建立球柱组合式数字状张拉整体结构,并使用基于结构刚度矩阵的大变形非线性数值求解方法对其进行力学性能分析.在两类胞元满足各自的自平衡条件和稳定性条件的前提下,组合得到的数字状张拉整体结构亦处于自平衡稳定状态,搭建了实物模型进行验证.以数字8状张拉整体结构为例,模拟研究了结构承受自重等分布载荷和单轴拉压等端部载荷时的静力学响应,以及结构无阻尼振动时的固有频率和模态等动力学性能.结果表明,结构在自重作用下的变形行为受初始预应力、压杆密度和拉索刚度的影响较大,对其进行合理配置方可确保结构具有足够刚度抵抗自重;结构在单轴拉压作用下呈现非线性的载荷-位移曲线,拉伸刚度随变形量的增大而增大,压缩刚度随变形量的增大而减小;结构的固有频率随初始预应力的增大而增大,而模态振型基本不变.研究结果丰富了大型张拉整体结构的外形种类,有望推动此类结构在土木建筑、结构材料等领域的应用.      

两种典型螺栓连接结构的刚度特性比较研究

针对法兰对接和径向套接两种典型舱段螺栓连接形式,基于有限元静刚度计算、动力学简化建模、冲击响应特性分析及结构冲击试验,系统研究了两种连接形式的轴向刚度特性及其对动力学冲击响应的影响.有限元静刚度分析揭示了法兰对接与径向套接的轴向拉压刚度分别是非对称的和对称的,而法兰对接的平均刚度更大.之后,为两种连接形式建立了统一的动力学模型,证明非对称的轴向拉压刚度导致结构在受到横向载荷作用时会产生附加的耦合轴向振动,并且利用高精度幂函数拟合刚度跳变,得到耦合轴向振动频率是弯曲振动频率的二倍的结论.最后,通过冲击动力学试验证明了法兰对接存在二倍频的耦合轴向振动,而径向套接则不存在该耦合振动.径向套接虽然一阶频率较低,但阻尼效果更好.     

具有非线性支撑和弹性边界约束的轴向载荷梁结构动力学行为研究

弹性梁结构作为一种基本单元被广泛于建筑、航空、航天、船舶等工程领域. 为有效降低弹性梁结构的振动水平, 深刻理解其振动特性、动力学行为显得尤为重要. 本文建立了具有非线性支撑和弹性边界约束的轴向载荷梁结构动力学分析模型, 并采用伽辽金截断法预报梁结构的动力学响应. 在伽辽金截断法的求解过程中, 选取具有弹性边界约束的轴向载荷梁结构的模态振型函数作为伽辽金截断法的试函数与权函数. 首先, 研究截断数对伽辽金截断法稳定性的影响, 并采用谐波平衡法研究伽辽金截断法的可靠性. 在此基础上, 研究谐波激励扫频方向、非线性支撑参数对具有非线性支撑和弹性边界约束的轴向载荷梁结构动力学响应的影响规律. 研究结果表明, 具有非线性支撑和弹性边界约束的轴向载荷梁结构的动力学响应具有初值敏感性且非线性支撑参数对梁结构动力学响应的影响显著. 相关非线性支撑参数使得梁结构出现复杂动力学行为. 合适的非线性支撑参数能够抑制具有非线性支撑和弹性边界约束的轴向载荷梁结构的复杂动力学行为并对梁结构边界处的减振具有有益效果.      

航行体水下发射流固耦合效应分析

对于水下发射过程来说,掌握水动力载荷形成机理与结构响应特征是一个亟待解决的问题.研究该问题需要考虑含相变的复杂多相流动,变约束的结构运动以及这二者之间的耦合效应.本文采用松耦合的方法,以流体求解器为主体,将自编的固体结构程序接入流体求解器中,在每个时间步长内分别对流体动力学方程和固体结构动力学方程进行求解,通过流固界面之间的数据交换实现耦合计算.其中,流体求解器基于雷诺平均纳维斯托克斯方程,采用单流体模型处理多相流问题,引入空化模型描述空化相变,采用修正的湍流模型模拟混合物的湍流效应,并采用动网格技术处理移动边界问题.航行体的刚体运动和结构振动分开求解.结构求解器采用等效梁模型描述结构的振动,通过坐标变换给出了随体坐标系下的结构振动方程,求解方法采用时域积分法.所建立的流固耦合方法不仅能够捕捉到自然空化的演化情况,还可获得航行体所受水动力、结构振动响应以及截面的弯矩,获得了实验的验证.基于该方法研究了结构刚度、发射速度对空泡溃灭与结构振动耦合效应的影响规律.结果表明,同步溃灭是影响结构载荷的主要因素,包括溃灭压力幅值,溃灭压力作用位置,以及溃灭压力与结构振动的相位关系.     

基于非线性吸能机理的涡激振动减振理论与实验研究

流致振动现象广泛存在于机械、航空、土木和石油等重要工程领域, 为防止工程结构因流致振动行为而造成疲劳破坏, 有必要对稳定性、动力学响应及其振动控制做深入研究. 本文提出了一种由弹簧和质量块构成的非线性吸能器(nonlinear targeted energy transfer, NTET), 研究了该非线性吸能器对弹性支承圆柱体涡激振动的被动控制影响机制. 基于能量法推导了圆柱体涡激振动非线性被动控制的耦合动力学方程, 通过设计非线性弹簧?质量块构型的NTET, 进一步开展了涡激振动控制的实验研究, 并与理论预测结果进行了较好的对比, 获得提升涡激振动控制效果的最佳参数值. 研究发现, NTET的质量、弹簧刚度以及弹簧预应力等参数会对涡激振动控制效果产生显著的影响. 本文研究结果表明, 该耦合系统中圆柱体和NTET均表现出周期性的稳态振动响应, NTET质量的改变会显著影响系统的耦合频率. 在无预应力状态下, NTET质量越大、刚度越小时, 有更好的减振效果. 当弹簧预应力逐渐增大时, NTET的非线性刚度逐渐变弱, 会降低涡激振动控制性能. 参数分析表明: 随着涡激振动控制性能的提升, 圆柱体的振幅逐渐较小, NTET的振幅逐渐增大, 能量传递效率逐渐提高. 研究结果可为工程中涡激振动控制策略的高效设计提供有用的理论支撑和实验数据.      

鞍形膜结构在冲击载荷作用下的振动特性

以鞍形膜结构为研究对象，研究了冲击载荷作用下鞍形膜结构的振动问题。首先推导了冲击载荷作用下的结构振动非线性微分方程，该方程中考虑了膜材的正交异性，空气阻尼以及膜材变形的几何非线性。然后假设一小球以某确定的冲击速度差冲击膜面，模拟冲击荷载。最后利用随机摄动法求解方程，得到鞍形膜结构振动响应的位移函数，通过该函数分别对膜面预张力、拱跨比以及小球速度差进行参数分析。同时，对鞍形膜结构的振动进行数值模拟，并与解析理论作对比分析。结果表明鞍形膜结构振动位移会随着膜面预张力或拱跨比的增大而减小，同时也会随着速度差的增大而增大。由此可知该理论模型研究鞍形膜结构在冲击载荷作用下的振动特性是可行的，得到的结果能够准确地预测膜结构响应规律。     

硬夹心矩形夹层板的整体稳定性分析

摘要：本文在Reissner型理论给出的位移模式基础上,修正其软夹心假设,考虑夹心层面内刚度,给出了硬夹心夹层板的几何方程、物理方程,建立了硬夹心夹层板结构在面内纵向载荷作用下的平衡微分方程,并对方程进行了简化,通过理论计算得到了四边简支条件下硬夹心矩形夹层板整体失稳临界载荷的解析解,并分别计算了夹心层材料的弹性模量 、厚度 、泊松比 对硬夹心夹层板临界载荷的影响,结果证明,对于硬夹心夹层结构,夹心层面内刚度对硬夹心夹层板整体失稳临界载荷的影响较大,考虑其面内刚度是必要的。     

Shock initiated instabilities in underwater cylindrical structures

An experimental investigation to understand the mechanisms of dynamic buckling instability in cylindrical structures due to underwater explosive loadings is conducted. In particular, the effects of initial hydrostatic pressure coupled with a dynamic pressure pulse on the stability of metallic cylindrical shells are evaluated. The experiments are conducted at varying initial hydrostatic pressures, below the critical buckling pressure, to estimate the threshold after which dynamic buckling will initiate. The transient underwater full-field deformations of the structures during shock wave loading are captured using high-speed stereo photography coupled with modified 3-D Digital Image Correlation (DIC) technique. Experimental results show that increasing initial hydrostatic pressure decreases the natural vibration frequency of the structure indicating loss in structural stiffness. DIC measurements reveal that the initial structural excitations primarily consist of axisymmetric vibrations due to symmetrical shock wave loading in the experiments. Following their decay after a few longitudinal reverberations, the primary mode of vibration evolves which continues throughout later in time. At the initial hydrostatic pressures below the threshold value, these vibrations are stable in nature. The analytical solutions for the vibration frequency and the transient response of cylindrical shell are discussed in the article by accounting for both (1) the added mass effect of the surrounding water and (2) the effect of initial stress on the shell imposed by the hydrostatic pressure. The analytical solutions match reasonably well with the experimental vibration frequencies. Later, the transient response of a cylindrical shell subjected to a general underwater pressure wave loading is derived which leads to the analytical prediction of dynamic stability.     

THE TRANSVERSE NONLINEAR FREE VIBRATION AND THE BUCKLING OF A COMPRESSIVE BAR ON AN ELASTIC FOUNDATION

基于Hamilton 原理,运用假设时间模态法,得到了弹性基础上压杆的横向非线性自由振动与屈曲的位移型常微分控制方程. 考虑一端固定另一端可移简支边界条件,采用打靶法得到了结构第一至第三阶结构频率与一阶屈曲载荷的数值结果. 结果表明：随轴心压力增加,结构频率减小;随弹性基础刚度增加,结构频率与屈曲载荷均增加;弹性基础刚度对结构频率的影响随振型阶数增加在减小;在小振幅的情形下,不同振型对一阶屈曲载荷的影响很小.     

In-plane free vibration and stability of loaded and shear-deformable circular arches

The first known equations governing vibrations of preloaded, shear-deformable circular arches are derived according to a variational principle for dynamic problems concerning an elastic body under equilibrium initial stresses. The equations are three partial differential equations with variable coefficients. The governing equations are solved for arches statically preloaded with a uniformly distributed vertical loading, by obtaining a static, closed-form solution and an analytical dynamic solution from series solutions and dynamic stiffness matrices. Convergence to accurate results is obtained by increasing the number of elements or by increasing both the number of terms in the series solution and the number of terms in the Taylor expansion of the variable coefficients. Graphs of non-dimensional frequencies and buckling loads are presented for preloaded clamped arches. They clarify the effects of opening angle and thickness-to-radius ratio on vibration frequencies and buckling loads. The effects of static deformations on vibration frequencies are also investigated. This work also compares the results obtained from the proposed governing equations with those obtained from the classical theory neglecting shear deformation.     

DYNAMIC LOAD CHARACTERISTICS OF ARRESTING HOOK SWINGING ALONG ARRESTING CABLE IN CARRIER-BASED AIRCRAFT

针对舰载机钩偏着舰时拦阻钩沿拦阻索侧向滑摆运动,运用仿真与理论分析结合的方法,通过调整拦阻钩侧向动载荷的振动频率范围,具体研究了飞机机身动载荷特性。结果表明,在2 Hz, 10 Hz,20 Hz 等振动频率附近,机身会受到严重的载荷情况。结论可供机体结构刚度、钩头减摆等性能优化设计参考。     

两端固支复合材料浅拱的动力屈曲分析

本文研究两端固支层合复合材料浅拱在阶跃载荷作用下的动力稳定性问题。通过对浅拱动力响应的数值计算结果,然后利用B-R动力屈曲准则,着重分析了集中阶跃载荷作用下几种铺层顺序及铺层数对浅拱动力临界载荷的影响,并给出了能够产生‘跳跃失稳’的最小的结构参数γ0。此外,在利用伽辽金法求解浅拱动力学控制方程时,通过取梁的自由振动模态和柱的静力屈曲模态作为浅拱的动力屈曲模态,分别进行计算并比较了二者的结果,进而讨论了二级数解的收敛性。     

空间充气展开结构动态分析研究进展

空间充气展开结构是一种以薄膜材料为主构建而成的新型结构, 可用于构建大型的天线、太阳能集中器、太阳帆等空间结构, 为空间结构的大型化提供了一条有效的解决途径.其动态特性是充气展开结构设计过程中必须考虑的问题, 动态分析测试技术一直是充气展开结构研究过程中的关键问题, 由于充气展开结构在材料、结构形式及工作环境等方面的特殊性, 使得其动态分析和测试技术出现了很多新的问题.目前充气展开结构动态分析的研究方法主要集中在两个方面:实验研究和数值模拟.实验研究主要是针对充气薄膜结构的特点, 由接触式的测试手段向非接触式的测试手段发展, 但实验研究在真空和微重力环境的模拟上面临着很大的问题.数值模拟研究可以有效的模拟结构在真空和微重力环境下的动态行为, 并可分析重力、空气和褶皱等因素对结构振动特性的耦合影响.本文综述了空间充气展开结构动态分析的实验研究和数值研究的发展和现状, 并讨论了其中存在的问题, 在此基础上指出了该项研究的发展趋势.      

挠性航天器太阳翼全局模态动力学建模与实验研究

现代柔性航天器通常安装有大型太阳翼为其在轨运行提供所需动力. 航天器入轨后太阳翼展开并锁定成为铰链连接多板结构, 此类结构质量轻、跨度大、刚度低的特点使其低频振动和非线性振动问题越来越凸显. 分析和处理此类结构出现的复杂振动问题的关键在于建立系统精确的非线性动力学模型. 为此, 本文提出铰链连接多板结构解析全局模态的提取方法, 获取太阳翼的固有频率和解析函数表征的全局模态. 提出可变刚度的扭转弹簧等效模型, 考虑铰链非线性刚度及摩擦力矩等因素, 通过全局模态离散得到系统的低维高精度非线性动力学模型, 研究了太阳翼在周期激励作用下的非线性特性. 开展太阳翼地面振动实验研究, 采用锤击法获取系统模态, 利用振动台施加正弦扫频激励, 将物理实验结果与理论结果进行对比, 从而验证全局模态动力学建模方法的合理性与准确性. 结果表明, 铰链刚度等结构参数对系统固有特性的影响较大, 铰链的存在会使太阳翼的动态响应出现跳跃等非线性现象. 全局模态动力学建模方法能很好地解决多板结构在非经典边界下解析全局模态求解的困难, 系统全局模态反映的是系统各个部件弹性振动的真实模态, 所建立的动力学模型具有低维高精度的特点, 对于复杂组合结构非线性动力学建模具有重要的参考价值.      

Vibration control combining nonlinear isolation and nonlinear absorption

Nonlinear Dynamics - Quasi-zero stiffness system has been widely used to isolate structural vibrations. However, its small dynamic stiffness may result in drastic low-frequency vibration. This is a...     

Structural Analysis of a Dragonfly Wing

Dragonfly wings are highly corrugated, which increases the stiffness and strength of the wing significantly, and results in a lightweight structure with good aerodynamic performance. How insect wings carry aerodynamic and inertial loads, and how the resonant frequency of the flapping wings is tuned for carrying these loads, is however not fully understood. To study this we made a three-dimensional scan of a dragonfly (Sympetrum vulgatum) fore- and hindwing with a micro-CT scanner. The scans contain the complete venation pattern including thickness variations throughout both wings. We subsequently approximated the forewing architecture with an efficient three-dimensional beam and shell model. We then determined the wing’s natural vibration modes and the wing deformation resulting from analytical estimates of 8 load cases containing aerodynamic and inertial loads (using the finite element solver Abaqus). Based on our computations we find that the inertial loads are 1.5 to 3 times higher than aerodynamic pressure loads. We further find that wing deformation is smaller during the downstroke than during the upstroke, due to structural asymmetry. The natural vibration mode analysis revealed that the structural natural frequency of a dragonfly wing in vacuum is 154 Hz, which is approximately 4.8 times higher than the natural flapping frequency of dragonflies in hovering flight (32.3 Hz). This insight in the structural properties of dragonfly wings could inspire the design of more effective wings for insect-sized flapping micro air vehicles: The passive shape of aeroelastically tailored wings inspired by dragonflies can in principle be designed more precisely compared to sail like wings —which can make the dragonfly-like wings more aerodynamically effective.