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.     

应用结构传递函数计算高阶剩余模态

本文分析了高阶剩余模态的组成形式,提出了一种利用结构传递函数求解高阶剩余模态的方法.由于文中通过传递函数得到结构高阶剩余模态,因此实验模态技术能方便地引入模态综合之中,为模态综合技术更广泛地应用提供了方便.     

IKAROS太阳帆第一阶段展开过程的动力学行为分析

空间结构的在轨展开涉及到复杂的高维强非线性动力学问题,这些动力学问题的建模及仿真技术是航天动力学领域的难题,也是对在轨展开过程施加控制的前提条件。本研究以IKAROS太阳帆在轨第一阶段展开过程为例,基于哈密顿变分原理,建立中心刚体-主动伸长柔性梁耦合动力学模型;采用保结构分析方法,关注动力学系统的局部动力学行为,在恒定转矩驱动和恒定功率驱动两种工况条件下,对IKAROS太阳帆第一阶段展开过程进行仿真;发现两种工况条件下的中心刚体转动角速度演化规律差别显著,恒定转矩做功将导致中心刚体的转动稳定性变差,同时,恒定功率驱动工况下,IKAROS太阳帆第一展开阶段节能效果较好。     

与应变模态分析有关的若干问题

本文阐述了应变模态分析的基本原理及相应的参数识别方法，讨论了应变传递函数与应变模态振型、应变传递函数的性质，模态参数的识别以及应变传递函数与激振力谱、应变响应谱之间的关系。     

U型波纹管及相关结构环向屈曲的有限元分析(Ⅲ)--波纹管平面失稳的机理

波纹管无论是在内压还是在外压作用下都会发生环向屈曲或平面失稳,问题很复杂至今未得到妥善解决。本文首先指出了现行的有关“塑性铰”概念的某些不足之处,然后按文[8]的有限元法(考虑了屈曲前的弯曲和屈曲时载荷的转动并按线性化特征值问题处理)对波纹管的环向屈曲进行了计算,并与前人的有关实验进行了对比分析,在此基础上解释了波纹管平面失稳的原因和发展过程。     

太阳帆日心悬浮轨道附近的相对运动

研究悬浮轨道附近的编队飞行问题,推导了悬浮轨道附近的相 对运动方程. 由于编队太阳帆之间的距离与帆到太阳的距离的比值为小量,将相对运动方程 在悬浮轨道附近线性化,得到了线性化方程. 基于该线性化方程,考虑了悬浮轨道附近的几 种编队控制方法,只需通过调节太阳帆的姿态来进行简单的控制. 其中包括一种被动编队控 制策略,该控制策略具有实现简单、稳定区域大的特点,具有很好的工程应用前景. 最后基 于非线性方程对每种编队策略进行了数值仿真验证,数值结果表明该控制方法能实现编 队.     

柴油机机体的模态试验与分析法

柴油机机体是柴油机的主体结构部件，研究其动态特性对于了解整机的振动特性非常重要。本文介绍了柴油机机体的试验模态分析方法，以及用该方法分析了６１０８型柴油机机体。求得该机体的前八阶模态频率、阻尼及振型，为该机体的结构改进和柴油机的减振降噪提供了依据     

结构动力学修改重分析方法的发展

结构动力学修改重分析技术是结构／机械振动控制和动态特性设计与优化的重要理论工具，本文简要述评了一些主要的高效重分析计算方法的研究发展概况，其中侧重于摄动分析方法。最后简单介绍了这些重分析方法的若干重要应用领域。     

预应力杂交结构的屈曲分析

含有预应力索的半刚性大跨度空间结构是一种非常有生命力的杂交钢结构形式,对应用日益广泛的空间杂交结构的正确分析是保证结构安全设计的前提,屈曲分析通常是这类结构分析的主要内容之一,结构的屈曲分析可分为特征值屈曲分析和非线性屈曲分析。论文首先阐述了结构特征值屈曲分析和非线性屈曲分析中的分枝屈曲分析的基本理论,提出了含有恒定荷载的预应力结构特征值的求解方法,明确正确应用屈曲理论对保证工程安全设计的重要性,然后应用有限元软件ANSYS对待建的安徽大学体育馆新型弦支网壳屋盖结构进行了特征值屈曲分析和分枝屈曲分析,提出应用通用有限元程序跟踪结构分枝屈曲路径的方法,本文结论对预应力杂交结构的屈曲分析具有指导意义。     

密集模态摄动的新方法

本文提出了一种密集模态结构系统(M_0,K_0)振动分析的矩阵摄动新方法.它将密集模态结构系统特征解的摄动问题转化为重特征值的摄动问题.文中给出了一个数值例子.     

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.     

精密仪器设备半挂运输列车的振动模态分析

研究了具有牵引悬置装置的精密仪器设备半挂运输列车的振动问题,建立了14 自由度的动力学模型并进行振动模态分析, 在此基础上,计算了某典型半挂运输列车在有阻尼和无阻尼情况下的固有频率和振型.     

弹性支撑圆柱绕流稳定性分析

基于CFD 技术,采用系统辨识方法,建立了亚临界雷诺数(Re < 47) 下绕圆柱流动的非定常气动力模型(reduced order model, ROM). 耦合结构运动方程和降阶气动力模型,建立了弹性支撑圆柱绕流的稳定性分析模型. 算例分析了亚临界雷诺数下,结构固有频率、质量比等参数以及支撑方式对弹性系统稳定性的影响. 对于单自由度横向支撑圆柱,当结构固有频率趋近流动最不稳定模态频率时,弹性系统会在一定频率范围内失稳,这种现象最低可在Re~20 时出现. 旋转自由度的释放能够进一步降低系统的稳定性,可将临界雷诺数进一步降低至18 左右. ROM 方法不仅具有很高的效率,而且清晰地指出了弹性系统失稳的根本原因:流动模态和结构模态耦合作用导致结构模态失稳所致. 因此,失稳状态下系统振荡频率锁定于结构固有频率. 基于ROM 技术预测的失稳边界与直接CFD/CSD 仿真结果吻合,证明了该方法的正确性和精度.      

基于稳定理论的剪切薄膜屈曲分析简

依据大挠度屈曲理论,考虑沿褶皱方向张拉应力对薄膜结构的影响,推导出了屈曲后的褶皱构形参数表达式,并结合试验结果对所得公式进行了简化. 采用该公式对剪切位移载荷作用下平面张拉薄膜的屈曲现象进行分析. 通过与已有文献公式以及ABAQUS 数值分析结果和试验结果进行比较,从而验证了该公式的有效性和合理性.     

DYNAMIC MODEL OF SELF-OSCILLATING GELS AND THE CONTROLLABILITY ANALYSIS

自振荡凝胶是一类在Belousov-Zhabotinsky化学反应（BZ反应）驱动下能够产生周期性收缩和膨胀大变形的智能软材料,简称为BZ凝胶,在微型激励器、传感器、药物释放、仿生材料等领域有着广泛的应用前景。基于BZ化学反应的Oregonator模型以及凝胶变形的力平衡方程,建立了由二阶微分方程表示的BZ凝胶的简化动力学模型,并通过对BZ凝胶的振荡动力学模型的分析,发现其在动力学相轨迹空间内呈现出稳定的周期性极限环振荡,进而利用改进的打靶法求得了BZ凝胶的振荡周期解,系统研究了反应物浓度、催化剂效率和链状高分子的亲水性等可控系统参数对其振荡形式、周期和幅值的影响。结果表明,只有在特定的系统参数取值下,BZ凝胶才能发生持续的周期性振荡;随着这些参数的改变,BZ凝胶的振荡形式、周期和幅值均产生规律性变化。证明了对自振荡凝胶实施周期性调控在理论上是可行的。     

谐波平衡法在动导数快速预测中的应用研究

谐波平衡法以傅里叶级数展开为基础,将周期性非定常流场的非定常求解过程转化为几个定常流场的耦合求解过程,并通过重建得到整个流场的非定常过程. 建立了基于谐波平衡法的动导数快速预测方法,数值模拟了超声速带翼导弹俯仰的动态流场,并通过积分法获取了俯仰动导数,与实验结果吻合很好;且在同等计算精度下,谐波平衡法的计算效率是双时间步方法的13 倍. 应用谐波平衡法研究了较大范围内减缩频率对俯仰动导数的影响规律. 研究发现,对于本外形,当减缩频率降低到一定值后,俯仰动导数的值迅速变化,甚至发生变号;对此现象产生的原因进行了深入分析,并通过对导弹自激俯仰运动的数值模拟验证了该结果. 此外,针对大攻角条件下动态流场非线性强的特点,开展了谐波平衡法在大攻角下的适用性研究. 结果表明,谐波平衡法在大攻角下也能取得很好的计算结果.      

DYNAMIC ANALYSIS OF BOUNDED DOMAINS BY SBFE AND THE IMPROVED CONTINUED-FRACTION EXPANSION

基于比例边界有限元理论框架,通过采用连分式展开和引入辅助变量,将有限域的动力刚度矩阵和质量矩阵采用高阶的矩阵表示. 采用改进的连分式法求解比例边界有限元方程中的动力刚度矩阵. 通过增加连分式展开的阶数,该求解方法能包含动力分析的主要频率范围. 针对结构自由度较多的系统当连分式阶数逐渐增大时,原连分式算法可能会造成矩阵运算病态的问题,提出采用改进的连分式算法能有效地提高数值计算稳定性.通过对一正八边形的自由振动分析及矩形平面的时域分析,算例结果表明改进算法的鲁棒性更强,适合大规模系统的动力分析.     

欧拉梁弹性稳定分析的有限元p型超收敛算法1)

本文将有限元p型超收敛算法应用于欧拉梁弹性稳定分析。该法基于有限元解答中失稳载荷和失稳模态结点位移的超收敛特性,建立了单元上失稳模态近似满足的线性常微分方程边值问题,在每个单元上,对该边值问题采用一个高次元进行求解,获得失稳模态的超收敛解,再将失稳模态的超收敛解代入瑞利商的解析表达式,最终获得失稳载荷的超收敛解。该法思路简明,通过少量计算即可显著提高失稳载荷和失稳模态的精度与收敛阶。数值算例表明,该法高效、可靠,值得进一步研究和推广到各类杆系结构。     

结构动力模型修正方法的比较研究及评估

在实际工程中,由结构动力模型得到的计算值与通过试验获得的测量值间往往存在偏差,为了能够精确预测结构的动力响应,依据测量信息修正存在的动力模型是非常必要的.对现有几种有效的用于结构动力模型修正的理论方法(包括基于敏感性分析的矩阵型法、基于神经网络算法的参数型法和基于遗传优化算法的方法)做了详细的综述;介绍了这些方法的步骤和研究进展;并分析了这些动力模型修正方法在工程运用中存在的一些实际问题,如不完整的模态测量值、模型修正的鲁棒性、模型修正的计算效率和收敛性等.最后,通过对一实际的五层钢框架的动力模型修正,比较了这几种方法的优缺点,提出了今后需要解决的问题.      

AN EFFICIENT DYNAMIC MODELING METHOD OF AN AXIALLY MOVING CANTILEVER BEAM AND FREQUENCY RESPONSE ANALYSIS

轴向移动梁动力学问题具有广泛的工程应用背景,如：机械手、机床主轴、武器身管等.计算轴向移动梁动力学响应是评估结构动力学性能以及最终指导结构设计的一个重要手段.采用Rayleigh-Ritz法、拉格朗日方程推导了轴向移动悬臂梁时变动力学方程.选取幂级数函数构造试函数对轴向移动系统动力问题进行求解.幂级数函数良好的积分与微分性能,使得推导容易以矩阵的形式快速进行,便于符号运算软件直接生成MATLAB程序.由于MATLAB基本数据单位为矩阵,符号软件生成的程序只需经过简单修改便可进行动力学计算.大大缩短了轴向移动梁从建模到动力学分析的时间,过程十分高效.通过四组算例,将本文方法计算得到的动力学响应与文献数据进行对比,对该方法准确性进行了验证,并给出了幂级数函数拟合阶数的选取原则.以此为基础,研究了轴向移动梁的频率响应特性.分为考虑重力与忽略重力两种情况,讨论了轴向振动幅度对其频率响应特性的影响.