耦合变形对大范围运动柔性梁动力学建模的影响

柔性梁在作大范围空间运动时,产生弯曲和扭转变形,这些变形的相互耦合形成了梁在纵向以及横向位移的二次耦合变量。本文考虑了变形产生的几何非线性效应对运动柔性梁的影响,在其三个方向的变形中均考虑了二次耦合变量,利用弹性旋转矩阵建立了准确的几何非线性变形方程,通过Lagrange方程导出系统的动力学方程。仿真结果表明,在大范围运动情况下,仅在纵向变形中计及了变形二次耦合量的一次动力学模型,与考虑了完全几何非线性变形的模型具有一定的差异。     

柔性体的刚-柔耦合动力学分析

对柔性梁的刚－柔耦合动力学特性进行分析，从连续介质力学理论出发，在纵向变形位移中计及了耦合变形量，用Jourdain速度变分原理导出了柔性梁的刚－柔耦合动力学方程，定量地研究了非惯性系下柔性梁的动力学性质，比较了在不同转速下零次近似模型和耦合模型的振动频率的差异。为了确定零次近似模型的适用范围，引入与转速和基点加速度有关的相关系数，提出了零次近似模型的适用判据为相关系数小于0．1。在此基础上，进一步研究在大范围运动是自由的情况下柔性梁的大范围运动和变形运动的耦合机理，计算了带平动刚体的柔性梁的大范围运动规律，揭示零次近似模型和耦合模型的刚－柔耦合动力学性质的根本差异。     

平动弹性梁的刚-柔耦合动力学

本文建立了作大范围平动弹性梁的刚-柔耦合动力学控制方程。分析了大范围平动对弹性梁变形运动动力学性质的影响，发现了大范围平动与变形运动之间的耦合动力学与大范围转动与变形运动之间的耦合动力学存在显著的差异。大范围平动使弹性梁的刚度降低，同时使系统阻尼增加；而大范围转动使弹性梁的刚度增加，同时使系统产生了能量转换的陀螺效应。因此，柔性多体系统刚-柔耦合动力建模中必须包括大范围平动与柔性体变形运动之间的耦合动力学效应。     

柔性梁刚柔耦合碰撞动力学及变形传播研究

运用柔性多体系统刚柔耦合动力学理论,研究了作大范围回转运动柔性梁的碰撞动力学问题.考虑柔性梁的横向变形,以及横向变形引起的纵向缩短项即非线性耦合变形项.采用基于Hertz接触理论及非线性阻尼理论的非线性弹簧阻尼模型来求解碰撞过程中产生的碰撞力,运用第二类拉格朗日方程建立了系统的刚柔耦合碰撞动力学方程.编制仿真软件进行动力学仿真计算,得到了碰撞力和系统动力学响应,对比分析了不同动力学模型对系统动力学响应的影响.同时研究了碰撞导致的柔性梁横向变形传播的波动特性.     

基于初应力法的作大范围运动柔性梁动力学建模理论研究

研究了初应力法的作大范围运动柔性梁的建模理论.根据连续介质理论,考虑应变-位移中的非线性项,用一致质量有限元法对柔性梁进行离散,基于Jourdain速度变分原理导出定轴转动下大范围运动为自由的柔性梁刚-柔耦合动力学方程.从其刚柔耦合动力学方程出发,考虑在大范围运动已知情况下的结构动力学方程.通过引入准静态概念,把其结构动力学方程转化为准静态方程.对纵向和横向变形节点坐标进行坐标分离,解出与纵向变形相关的准静态方程,得到准静态时的纵向应力表达式,从而获得附加刚度项.并对此非惯性系下作大范围运动柔性梁的结构动力学方程进行数值仿真,对零次近似模型、一次近似模型、初应力法动力学模型的仿真结果进行分析,揭示三种模型的动力学性质的差异.     

中心刚体-柔性梁系统的耦合变形影响

本文对作大范围运动的中心刚体-柔性梁系统的耦合变形的影响进行研究.给出一种新的描述柔性梁耦合变形的有限元插值方法,该方法采用笛卡尔变形坐标对横向变形和纵向变形之间的耦合项进行描述,该耦合变形项只与本单元的节点变形坐标相关.分别讨论了耦合变形项对惯性力与弹性力的贡献,分析了它们对刚-柔耦合动力学行为的影响.通过研究指出当采用笛卡尔变形坐标描述时,如果在计算弹性力的时候考虑了耦合变形影响,无论在计算惯性力时是否考虑耦合变形影响,都可以得到稳定收敛的结果.反之,如果在计算弹性力时忽略了耦合变形影响,无论在计算惯性力时是否考虑耦合变形影响,当大范围运动的速度较高时,将会得到错误的发散的结果.因此,通过忽略耦合变形对质量分布的影响,只保留耦合变形对弹性力的影响,可实现对动力学方程的简化.     

作大运动弹性薄板中的几何非线性 与耦合变形1)

导出作大范围刚体运动弹性薄板包括了几何非线性和中面变形之间的相互耦合(耦合变形)的动力学控制方程.分析了几何非线性和耦合变形各自对系统动力学性质的影响,得到了在传统方法上只考虑几何非线性,系统将通过同宿轨分岔过渡到混沌运动;若在传统方法上考虑耦合变形,系统稳定且数值解收敛,与实际情形相符.     

作大运动弹性薄板中的几何非线性与耦合变形

导出作大范围刚体运动弹性薄板包括了几何非线性和中面变形之间的相互耦合（耦合变形）的动力学控制方程．分析了几何非线性和耦合变形各自对系统动力学性质的影响,得到了在传统方法上只考虑几何非线性,系统将通过同宿轨分岔过渡到混沌运动;若在传统方法上考虑耦合变形,系统稳定且数值解收敛,与实际情形相符．     

考虑几何非线性和热效应的刚-柔耦合动力学

温度增高和温度梯度会引起梁的纵向、横向变形位移,在一定程度上对刚-柔耦合规律产生影响.该文考虑热应变,从平面梁的非线性的应变与位移关系式出发,建立了刚体运动、弹性变形和温度相互耦合的有限元离散的热传导方程和动力学方程.研究热流作用下的中心刚体-简支梁系统的刚-柔耦合动力学性质,揭示了几何非线性项和热应变对弹性变形和刚体运动影响.     

中心刚体-变截面梁系统的动力学特性研究

对在平面内做大范围转动的中心刚体-变截面梁系统的动力学进行了研究. 考虑柔性梁横向弯曲变形和纵向伸长变形, 且在纵向位移中计及由于横向变形而引起的纵向 缩短项, 即非线性耦合变形项. 采用假设模态法描述变形, 运用第二类Lagrange方程推导得 到系统刚柔耦合动力学方程. 在此基础上对做大范围旋转运动的中心刚体-楔形梁以及中心刚 体-梯形梁模型的动力学进行了详细研究. 研究表明: 梁宽比、梁高比以及梯形梁变截面位置 都对系统的动力学特性有很大影响.     

The coupling dynamical modeling theory of flexible multibody system

Based on the deformation theory of elastic beams, the coupling effect between the coupling displacements of a point on the middle line of beam and large overall motion is presented. The “coupling matrix library” and Jourdain's variation principle and single direction recursive formulation method are used to establish the general coupling dynamical equations of flexible multibody system. Two typical examples show the coupling effect between coupling displacements and large overall motion on the dynamics of flexible multibody system consisting of beams. The project supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 19832040).     

柔性多体系统产生动力刚化原因的研究

传统的柔性多体系统建模理论由于对柔性体的变形及其与大范围运动产生惯性力之间的耦合处理得过于简单,所以在分析存在高速大范围运动柔性多体系统的动力学性态时会得到完全错误的结论。本文将通过对作大范围运动弹性薄板的讨论来揭示产生这种错误的及探讨对传统性多体系统建模理论作出改进的对策     

Coupled MPS-modal superposition method for 2D nonlinear fluid-structure interaction problems with free surface

In this paper, a coupled MPS-modal superposition method is developed for 2D nonlinear fluid-structure interaction problems. In this method, the rigid-body and relatively small elastic deformation are coupled together, which considers the mutual effect between them. The elastic deformation of the structure is represented by a mode superposition formulation, which is more efficient compared with FEM, regardless of the size of the structure. For 2D cases, if the first three modes are chosen to represent the flexible deformation of the structure, it only results in a 6×6 matrix equation to be solved. For the fluid motion, the modified Moving Particle Semi-implicit (MPS) method, which significantly reduces the fluctuation of pressure calculation of the original MPS method, is used.Two nonlinear problems, i.e. breaking-water-dam impacting a floating beam and flexible wedge slamming into the water are simulated to demonstrate the performance of the developed method. The numerical simulations show that this coupling model is capable of providing stable results that are generally in good agreement with the available experimental data. For the highly nonlinear case with very large rigid motions, the mutual effect between elastic deformation and rigid motions could accumulate to a relatively remarkable level shown by the curves of trajectories or acceleration history of the body mass centre. This also indicates the importance of mutual effect to analyse highly nonlinear FSI problems with large rigid-body motions and relatively small flexible deformation.     

Nonlinear dynamic analysis on rigid-flexible coupling system of an elastic beam

Previous work examined the effect of the attached stiffness matrix terms on stability of an elastic beam undergoing prescribed large overall motion. The aim of the present work is to extend the nonlinear formulations to an elastic beam with free large overall motion. Based on initial stress method, the nonlinear coupling equations of elastic beams are obtained with free large overall motion and the attached stiffness matrix is derived by solving sub-static formulation. The angular velocity and the tip deformation of the elastic pendulum are calculated. The analytical results show that the simulation results of the present model are tabled and coincide with the one-order approximate model. It is shown that the simulation results accord with energy conservation principle.     

中心舱体与薄壁梁刚-柔耦合系统的热弹性-结构动力学分析

空间柔性结构受太阳热流冲击而诱发的振动是导致航天器失效的典型模式之一,准确预测结构热致振动的响应及稳定性是卫星设计的基础。针对常见的中心舱体与附属薄壁杆件组成的空间结构,提出了考虑刚-柔耦合、耦合热弹性和耦合热-结构三重耦合效应的热致振动分析理论模型。其中,刚-柔耦合是指舱体姿态角、顶端集中质量转动与柔性附件运动的耦合;耦合热弹性是指应变率与温度场的耦合;耦合热-结构是指舱体转动及结构变形与薄壁杆件吸收太阳热流的耦合。基于热弹性理论和Lagrange方程,推导了传热和运动的耦合方程;采用Laplace变换方法并使用Routh-Hurwitz稳定判据推导了稳定性边界方程。结果表明,该模型能够更为准确的给出热致振动响应及稳定性预测。     

考虑非线性变形的航天器柔性附件建模方法

针对航天器的柔性附件,将其简化为常见的大范围运动空间柔性梁结构。根据柔性体的非线性变形原理,考虑了弯曲和扭转的非线性因素的影响,在柔性梁的三个变形方向上均考虑了变形的二次耦合项。利用有限元方法进行离散并用Lagrange方程建立了非线性变形模式下的动力学方程,包含了较为完全的刚度矩阵和各种耦合项。对一大范围运动的空间梁进行了仿真计算,表明在运动速度较大并且基座具有大范围运动时,一次耦合模型与本文模型有一定差异,且初始变形对两种模型也会产生影响。     

DYNAMIC ANALYSIS OF A SPATIAL COUPLED TIMOSHENKO ROTATING SHAFT WITH LARGE DISPLACEMENTS

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＲｏｔａｔｉｎｇｓｈａｆｔｓａｒｅｔｈｅｍｏｓｔｖｉｔａｌｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｏｆｍｏｄｅｒｎｉｎｄｕｓｔｒｉａｌａｎｄｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｆａｃｉｌｉｔｉｅｓ.ＤｕｅｔｏｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｃｅｏｆｔｈｅｓｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｔｈｅｒｅｗｅｒｅｗｉｄｅｌｙｓｔｕｄｉｅｓｏｎｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｂｅｈａｖｉｏｒｏｆＥｕｌｅｒ＿Ｂｅｒｎｏｕｌｌｉｒｏｔａｔｉｎｇｓｈａｆｔｓｕｓｉｎｇａｎａｌｙｔｉｃａｌａｎｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｅｔｈｏｄｓ[1- 4 ].Ｈｏｗｅ…     

Modeling and analysis of a coupled rigid-flexible system

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＭａｎｙｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｓｓｕｃｈａｓｒｏｂｏｔｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ,ｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅｓ,ｈｅｌｉｃｏｐｔｅｒｐｒｏｐｅｌｌｅｒａｎｄｍａｎ＿ｍａｄｅｓａｔｅｌｌｉｔｅｗｉｔｈｆｌｅｘｉｂｌｅａｔｔａｃｈｍｅｎｔｓａｒｅｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆｒｉｇｉｄａｎｄｆｌｅｘｉｂｌｅｂｏｄｉｅｓ．Ｔｈｅｙａｒｅｃａｌｌｅｄｃｏｕｐｌｅｄｒｉｇｉｄ＿ｆｌｅｘｉｂｌｅｓｙｓｔｅｍｓ．Ｃｏｒｒｅｃｔｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｆｌｅｘｉｂｌ…