刚-柔耦合多体系统动力学建模与数值仿真

柔性多体系统动力学传统的混合坐标建模方法忽略了变形位移的高次耦合变形量，是一种零次近似方法，其适用范围受到限制。本文以中心刚体、柔性粱及末端质量组成的刚柔耦合系统为对象，考虑了有粘性阻尼及风阻的情况。在柔性粱的纵向变形位移中计及了横向位移引起的轴向变形，并采用有限元方法和Hamilton变分原理导出了系统的刚柔耦合一次近似的动力学方程。该方程充分计及了中心刚体的大范围运动与柔性粱的弹性变形运动的相互耦合，并采用一致的方法引入了阻尼因素。文中最后提供了一个比“动力刚化”问题更具有一般性的仿真计算反例，进一步说明了零次近似方法在处理某些刚一柔耦合动力学问题时的缺陷，同时表明了由一次近似模型可得到正确合理的结论。     

计及热应变的空间曲梁的刚-柔耦合动力学

研究带中心刚体的作大范围运动的空间曲梁的刚-柔耦合动力学.结合混合坐标法和绝对坐标法的特点,取与中心刚体大范围运动有关的变量和柔性梁各单元节点相对中心刚体连体基的位移和斜率作为广义坐标,建立了一种新的柔性梁的刚柔耦合模型.基于精确的应变和位移的关系式,根据Jourdian速度变分原理,建立了带中心刚体柔性曲梁的有限元离散的动力学方程.数值对比了空间曲梁系统和空间直梁系统的刚柔耦合动力学性质,用能量守恒规律验证了文中曲梁模型的合理性.在此基础上,在应变能中计及热应变,研究温度增高引起的曲梁的热膨胀对系统的动力学性态的影响.     

刚-柔耦合动力学系统的建模理论研究

刚－柔耦合动力学系统的传统的混合坐标方法是零次近似方法,在建模过程中,直接套用的结构动力学的小变形假设,忽略了变形位移的高次耦合变形量．本文对柔性梁建立较零次近似更精确的高次耦合动力学模型,从连续介质力学理论出发,在变形位移中,计及横向位移引起的轴向缩短,导出变形位移的二次耦合量．用一致质量有限元方法对梁进行离散,基于Jourdain速度变分原理导出大范围运动为自由的柔性梁的刚－柔耦合动力学方程．计算了柔性重力摆的角速度和摆端点的横向变形,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．     

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。     

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.     

作大范围运动矩形板的动力学建模理论研究

研究了初应力法的作大范围运动矩形板的建模理论。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板进行离散,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板刚-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板的结构动力学方程进行数值仿真,验证了采用初应力法柔性板的动力学建模方法来计算经历大范围运动的不规则柔性板的动力学响应是可行的,体现了初应力法对柔性板建模的优越性。     

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.      

作大范围空间运动柔性梁的刚-柔耦合动力学

研究带中心刚体的作大范围空间运动梁的刚-柔耦合动力学问题．从精确的应变-位移关系式出发，在动力学变分方程中，考虑了横截面转动的惯性力偶和与扭转变形有关的弹性力的虚功率，用速度变分原理建立了考虑几何非线性的空间梁的刚-柔耦合动力学方程，用有限元法进行离散．通过对空间梁系统的数值仿真研究扭转变形和截面转动惯量对系统动力学性态的影响．     

A HIGH-ORDER RIGID-FLEXIBLE COUPLING MODEL OF A ROTATING FLEXIBLE BEAM UNDER LARGE DEFORMATION

对在平面内做大范围转动的中心刚体-柔性梁系统的刚柔耦合建模理论进行了深入研究,建立了系统的高次耦合动力学模型. 该动力学模型考虑了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,并保留了与非线性耦合项相关的一些高阶项,最终得到了系统的高次刚柔耦合动力学方程. 由此得到的动力学方程不仅能适用于柔性梁的小变形问题,也同样适用于大变形问题,弥补了一次近似耦合模型在处理柔性梁大变形问题上的不足. 通过与绝对节点坐标法以及一次近似耦合模型的对比验证了高次耦合模型的正确性.     

刚柔耦合建模理论的实验验证

传统的混合坐标建模理论是零次近似方法，对刚柔耦合问题的描述存在缺陷，研究以一个由中心刚体，柔性梁及末端质量组成的刚柔耦合系统对象，建立了精确的一次近似的刚柔耦合动力学方程，在该模型中计及了结构阻尼及风阻的影响，利用单轴气浮台动力学实验平台，通过与实验数据的比较，说明了传统零次近似方法在某些条件下已不能下确描述柔性的刚性正确性和可靠性。     

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。     

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。     

密集模态挠性结构模型多变量频域辨识和控制

密集模态挠性结构的模态不仅阻尼小而且耦合程度高,给模型辨识带来了很大困难.频域辨识是获取空间挠性结构模型的一个有效方法,但是目前频域辨识要么模型结构定义有缺陷,要么是集中在单变量情形,不适合作大型空间挠性结构多变量模型的辨识.本文提出了多变量极大似然频域辨识,给出了其模型结构定义、算法推导及实现,并将其应用于H型密集模态挠性板的模型辨识,根据辨识结果,设计主动控制律,实现了对密集模态挠性板振动的有效抑制,表明了辨识算法及主动控制的可行性.     

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     

UNCONSTRAINED MODAL ANALYSIS OF DYNAMIC MODEL OF FLEXIBLE SPACECRAFT$^{\bf 1)}$

挠性航天器动力学建模中的挠性耦合影响系数是动力学建模中的重要力学概念,它反映了航天器姿态和轨道运动与挠性附件的弹性振动效应. 挠性耦合影响系数间的恒等式关系,即惯性完备性准则,是挠性航天器动力学模型降阶和模态截断的重要依据. 以中心刚体带挠性附件航天器为研究对象,采用约束模态和非约束模态法描述挠性附件结构变形,利用欧拉-拉格朗日方程建立挠性航天器的动力学模型. 基于 Hughes 的研究成果,对挠性航天器的非约束模态恒等式及其用于动力学模型降阶的惯性完备性准则进行了证明和应用研究. 探讨了两种动力学模型惯量间的关系,并利用约束模态惯性完备性准则,推导了非约束模态惯性完备性准则. 最后,对中心刚体带双侧太阳帆板和带单侧太阳帆板构成的挠性航天器模型进行数值仿真计算,求出挠性附件非约束模态平动耦合系数,分析了非约束模态特征值和平动耦合系数随着刚柔质量比的变化情况,并尝试用非约束模态惯性完备性准则的质量特征恒等式对挠性航天器模型进行了检验.     

Passive Transient Wave Confinement Due to Nonlinear Joints in Coupled Flexible Systems

We numerically study transient wave propagation in linear flexiblewaveguides coupled by means of nonlinear backlash joints. No structuraldisorder is assumed to exist in the repetitive systems underconsideration. Early-time spatial confinement of the wave motion due tothe backlashes is detected for certain values of the systems'parameters. A discussion of the causes of this nonlinear wavelocalization is given. A transient confinement indicator is establishedand employed for the design optimization of the backlash joints foroptimum energy confinement in the directly forced subsystem. Theoptimization study reveals that strong passive motion confinement canoccur, even when strong coupling between subsystems exists,complementing previous studies in the literature where nonlinearlocalization due to weak subsystem coupling was investigated. Thepresent results have applicability to designs of joints for practicallarge-scale repetitive space structures.     

风与柔性结构流固耦合作用的预处理方法研究

针对强耦合方法求解风与柔性结构流固耦合作用时,大量计算资源都耗费在对强耦合方程求解中这一弊端,本文研究了强耦合方程的预处理求解方法。在风与柔性结构流固耦合作用的强耦合整体方程的基础上,将时空离散和线性化后的类似结构方程看成是鞍点问题,首先推导得到了类似结构方程的预处理矩阵;再基于此推导出了强耦合整体方程的预处理矩阵。首先采用预处理方法对经典二维流固耦合问题进行了计算,验证了提出的预处理矩阵的正确性;然后对风与三维膜结构的流固耦合作用进行了分析,评估了所提出预处理方法的相关计算参数。计算结果表明,所提出的预处理方法可使强耦合整体方程的求解在计算精度和计算效率上都得到较大提升,证明本文提出的预处理方法适用于风与柔性结构的流固耦合分析。