大型空间结构的热-动力学耦合问题及其有限元分析

论文对辐射换热条件下闭口薄壁杆件与单枝开口薄壁杆件的瞬态温度场问题,提出了一种一维傅立叶温度有限元,克服了传统一维温度单元只能计算薄壁杆截面平均温度的缺点,通过增加结点摄动温度自由度的方法,该一维单元能计算杆截面的温度分布.在此一维温度单元与梁位移单元相协调的基础上,进一步发展了大型空间结构热诱发振动稳定性判据与热颤振响应有限元计算方法.对于柔性空间结构发展了考虑几何非线性的热-结构动力学耦合有限元计算方法,成功地对这类结构的热动力屈曲问题进行了数值模拟.     

大型空间结构的热-结构动力学分析

空间结构在辐射换热条件下的热诱发振动是导致空间结构失效的一种典型模式。弄清热诱发振动的机理是理解热诱发振动失效的基础。本文针对常见的空间薄壁杆件结构，提出了一种能够对复杂结构及加热条件进行比较准确的温度场和热诱发振动分析的有限元方法。首先利用一种Founer-有限元方法，同时考虑杆截面内平均温度和温差，求解了包含辐射非线性的瞬态热传导问题，并推荐了一种有效降低求解规模的减缩近似方法-Lanczos方法。在此基础上，用有限元法求解了杆件结构的热诱发振动问题，并就杆截面内平均温度和温差对结构振动的影响以及最大动静态响应的比值分别进行了讨论．合理地解释了一类常见的热诱发振动现象，本文的数值算例说明了这点。     

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La-place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.     

空间薄壁管结构瞬态温度场、热变形有限元分析

对于辐射换热的薄壁杆件航天结构，为分析其在太空中不同时刻的姿态下的温度场和热变形，构造了一种相对自由度矩形管单元。其基本思想是从2维非线性瞬态热传导方程出发，假设沿矩形管横截面上每边的温度为线性分布，用4个角点的平均温度和温差来表示矩形管横截面上的温度分布，构造了一种1维2结点温度杆单元，该单元每个结点包含平均温度，上下面温差，左右面温差3个自由度；在计算热变形时，此三个广义温度参数分别对应热轴力和2个热弯矩载荷。经与三维有限元计算结果的比较，证明用该单元计算的矩形管温度场和位移场是可靠的。利用这种新型的薄壁矩形管单元和本文作者在其他文章中提出的薄壁圆管单元，可以对非线性换热条件下的复杂空间结构进行比较准确的温度场和热变形有限元分析，最后本文计算了考虑遮挡的太阳能帆板的瞬态温度场和热变形以说明其应用价值。     

浅谈飞行器与桥梁的颤振问题

颤振属于气动弹性动不稳定现象,常见于飞行器机翼和尾翼、桥梁等弹性结构,一旦发生,可能会引发结构的毁灭性破坏。本文首先介绍颤振的基本概念和特征,以及工程领域中常用的颤振研究方法,以展弦比为16的NACA0012弹性平直机翼为例介绍颤振速度和颤振频率;然后对结构发生颤振的原因进行讨论,并详细阐述基于流动降阶模型的稳定性分析方法在层流分离颤振诱发机理研究中的应用;最后对防止和规避颤振的控制措施进行介绍。

     

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介绍了求解复杂截面闭口薄壁杆件扭转问题的网络理论解法,以普朗特应力函 数解法为基础,通过与电路问题比拟,借鉴了电路理论中的网络理论解法. 本文方法对解决复 杂截面闭口薄壁杆件扭转的工程问题有一定的应用价值. 在教学上,可以起到拓宽学生思路 的作用.     

热结构瞬态响应的耦合灵敏度分析方法与优化设计

研究结构瞬态热变形和热应力的灵敏度分析方法及其优化设计,灵敏度计算给出了直接法和伴随法两种算法.考虑了温度场的耦合作用,在直接法中需要计算温度场对设计变量的导数,在伴随法中需要计算热载荷对温度场的导数.数值算例验证了该方法的精度.伴随法在应用程序中的实现,为大型结构优化提供了高效率的灵敏度计算方法.     

高速飞行器壁板颤振的分析模型和分析方法

壁板颤振是壁板结构在高速气流中产生的一种自激振动,在超声速和高超声速飞行器上特别容易发生这种现象。壁板颤振引发的非线性振动将对高速飞行器结构的疲劳强度、飞行性能和飞行安全带来不利的影响。随着高速飞行器设计中各项研究工作的开展,壁板颤振问题受到了到越来越多的重视。本文阐述了目前国内外学者在高速飞行器壁板颤振分析领域的研究现状及壁板颤振研究中常用的六种分析模型,并根据壁板颤振分析中使用的结构理论和气动力理论,详述了这种分类的依据。文中还介绍了温度、气流偏角、壁板几何尺寸及边界条件对壁板颤振的影响规律和目前常用于分析壁板颤振问题的频域和时域方法,总结了各种分析方法的优缺点。最后归纳了目前在高速飞行器壁板颤振研究中得出的几个重要结论,提出了今后在高速飞行器壁板颤振研究中需要解决的若干问题。     

辐射换热下瞬态热-结构分析的一种空间薄壁杆单元

发展了一种用于辐射换热条件下瞬态热-结构分析的空间薄壁杆单元,其截面形式可以是任意形状的闭口截面和单支开口截面。该单元温度场分解为平均温度和多谐摄动温度,沿杆轴方向采用两结点线性插值,沿杆截面周向用三角函数展开,每结点含多个解耦的自由度,其中结点平均温度方程同传统一维温度有限元方程为非线性,各谐摄动温度方程为线性,然后利用Wilson-θ法求解结构的瞬态温度场。本文选择了两节点Ber-noulli直梁单元得到准静态热弹性有限元方程并求解,针对非对称开口截面考虑了翘曲变形及弯扭耦合的影响。温度场引起的等效热载荷不仅包括常规的热轴力,还包括热弯矩以及热双力矩。本文针对不同截面形式的梁单元给出了瞬态温度场以及热变形的验证算例,并通过与商业程序中二维壳元计算结果的比较说明了本文所提出方法的正确性和高效性。     

辐射换热下瞬态热一结构分析的一种空间薄壁杆单元

发展了一种用于辐射换热条件下瞬态热一结构分析的空间薄壁杆单元，其截面形式可以是任意形状的闭口截面和单支开口截面。该单元温度场分解为平均温度和多谐摄动温度，沿杆轴方向采用两结点线性插值，沿杆截面周向用三角函数展开，每结点含多个解耦的自由度，其中结点平均温度方程同传统一维温度有限元方程为非线性，各谐摄动温度方程为线性，然后利用Wilson-θ法求解结构的瞬态温度场。本文选择了两节点Bernoulli直梁单元得到准静态热弹性有限元方程并求解，针对非对称开口截面考虑了翘曲变形及弯扭耦合的影响。温度场引起的等效热载荷不仅包括常规的热轴力，还包括热弯矩以及热双力矩。本文针对不同截面形式的粱单元给出了瞬态温度场以及热变形的验证算例，并通过与商业程序中二维壳元计算结果的比较说明了本文所提出方法的正确性和高效性。     

随机激励下受热翼面的模态频率特性试验研究

现代高速飞行器结构热模态频率特性试验研究,对这类飞行器设计校核和飞行安全具有重要意义。根据飞行过程中遭受的气动加热特性设计了瞬态热环境模拟系统,同时,根据高温环境的特点对测试中的激励和测量方式进行了重新设计,成功地将普通激振器应用于高温结构模态试验,最终将热环境模拟系统与振动测试系统组合,形成一套考虑瞬态热影响的热模态试验系统,实现了瞬态热环境下结构模态的地面测试。对一个切尖三角翼测量了各个加热区的温度随加热时间的变化,验证了加热温度控制的精确性;在纯随机激励下对测得的激励和振动响应信号采用短时傅里叶变换(Short Time Fourier Transformation,STFT)进行时变模态参数辨识,获得了前四阶模态频率随加热时间的变化,并与结构有限元数值计算结果进行了比较,试验与计算结果吻合得很好,验证了该试验方法对热模态测试问题的有效性和准确性。通过分别对瞬态和稳态热环境下结构模态频率试验和计算结果的分析,探讨了结构瞬态温度场对模态频率影响的机理,揭示了结构内部存在的热应力和材料属性的变化,是决定模态频率随加热时间变化趋势的内在原因。     

变质量密度简支梁横向振动的模态局部化

结构动力学领域的模态局部化现象最早由Hodges发现，主要发生在周期结构中．例如螺旋桨之类的循环对称结构、连续梁以及通信天线等大型空间桁架结构。发生摸态局部化现象时．振动能量集中于结构局部，容易造成结构破坏。实际上．模态局部化现象已经造成了一些损害．特别是在航宅航天领域。目前研究模态局部化现象时主要采用简单模型，例如周期分布的弹簧质量系统、均匀连续粱，O．O．Bendiksen研究了密度周期分布杆的纵向和扭转振动，求解了该问题的控制方程Mauthieu方程。本文基于Floquet解用Fourier级数法求解了变质量密度简支梁的横向振动问题，得到了固有频率和模态、并观察到了固有频率分组现象和模态局部化现象。求解特征值问题的过程中应用了连分式技术，有效的提高了计算精度。     

热环境下壁板非线性颤振分析

基于一阶活塞气动力理论,采用Von Karman大变形应变-位移关系建立了无限展长壁板热环境下颤振方程,采用伽辽金方法对方程进行离散处理.取温度为分叉参数,研究壁板颤振时的分叉及混沌等复杂动力学特性.结果表明:温度载荷降低了系统的颤振临界动压,改变了颤振特性.在整个分岔参数范围内,系统呈现出较为复杂的变化,包括衰减振动、极限环振动、拟周期振动和混沌型振动.当考虑材料热效应时,系统的颤振动压将进一步降低,其响应也表现出更为丰富的非线性动态力学行为.     

后临界湍流区间内旋转薄壳结构振动演化与作用机制实测研究

载荷的时变特征可能会对结构振动强度和能量作用机理产生重要影响,火/核电厂最重要的大型建筑结构均为典型的旋转薄壳结构(如冷却塔、烟囱等).为揭示后临界湍流区间内旋转薄壳结构的振动演化特征及其作用机制,实测了后临界雷诺数($Re\ge $3.5$\times $10$^{6}$)条件下8座典型旋转薄壳结构的振动响应.首先,在对实测响应进行降噪滤波处理后进行了不同时距的信号非平稳识别,基于非平稳分析模型对响应的时变均值和极值估计进行研究,并基于多尺度小波变换的演化谱方法开展了响应的频域演变特性研究.在此基础上,探讨了结构风振响应的共振分量占比及其效应,识别了结构的自振频率和阻尼比,并以结构基频为划分依据分别讨论了不同旋转薄壳结构的阻尼作用机制.研究结果表明:(1)旋转薄壳结构在后临界湍流区间内风致振动响应表现为强度非平稳、频率平稳的演化特性;(2)后临界湍流区间内的旋转薄壳结构的风振问题应区分准静力作用点与共振激发点分别进行研究,不同共振激发点的功率谱分布形式较为相近,而准静力作用点的功率谱分布规律差异较大;(3)共振激发点的振动能量分布呈现明显的分段趋势,基于本文大量实测分析结果回归得出适用于共振激发点的三阶段共振谱表达式;(4)借助本文提出的等效阻尼比概念拟合出此类结构的阻尼比预测公式,论证了目前工程中通用的5%阻尼比取值的不合理性.      

A higher order model for thin-walled structures with deformable cross-sections

A higher order model for the analysis of linear, prismatic thin-walled structures that considers the cross-section warping together with the cross-section in-plane flexural deformation is presented in this paper. The use of a one-dimentional model for the analysis of thin-walled structures, which have an inherent complex three-dimensional (3D) behaviour, can only be successful and competitive when compared with shell finite element models if it fulfills a twofold objective: (i) an enrichment of the model in order to as accurately as possible reproduce its 3D elasticity equations and (ii) the definition of a consistent criterion for uncoupling the beam equations, allowing to identify structural deformation modes.The displacement field is approximated through a linear combination of products between a set of linear independent functions defined over the cross-section and the associated weights only dependent on the beam axis; this approximation is not constrained by any ab initio kinematic assumptions. Towards an efficient application of the approximation procedure, the cross-section is discretized into thin-walled elements, being the displacement field approximated for each element independently of the displacement direction. The approximation is thus hp refined enhancing the “capture” of the 3D structural mechanics of thin-walled structures. The beam model governing equations are obtained through the integration over the cross-section of the corresponding elasticity equations weighted by the cross-section global approximation functions.A criterion for uncoupling the beam governing equations is established, allowing to (i) retrieve the classic equations of the thin-walled beam theory both for open and closed sections and (ii) derive a set of uncoupled deformation modes representing higher order effects. The criterion is based on the solution of the polynomial eigenvalue problem associated with the beam differential equations, allowing to quantify the Saint-Venant principle for thin-walled structures. In fact, the solution of the non linear eigenvalue problem yields a twelve fold null eigenvalue (representing polynomial solutions) that are verified to represent beam classic solutions and sets of pairs and quadruplets of non-null eigenvalues corresponding to higher order modes of deformation.     

Effect of magneto-thermo-viscoelasticity in an unbounded body with a spherical cavity subjected to a harmonically varying temperature without energy dissipation

The present work is devoted to study effects of the thermally induced vibration, magnetic field and viscoelasticity in an isotropic homogeneous unbounded body with a spherical cavity. The GN model of thermoelasticity without energy dissipation is applied. The closed form solutions for distributions of displacement, temperature and radial and hoop stresses are illustrated. The boundary conditions for the temperature and mechanical and Maxwell’s stresses are employed. The solutions valid in the case of small frequency are deduced and the results are compared with the corresponding results obtained in other generalized thermoelasticity theories. The results obtained are calculated for a copper material and presented graphically. It’s deduced that the magnetic field, viscosity and thermally induced vibration are very pronounced on displacement, temperature and stresses.     

Optimal placement of piezoelectric active bars in vibration control by topological optimization

A continuous variable optimization method and a topological optimization method are proposed for the vibration control of piezoelectric truss structures by means of the optimal placements of active bars. In this optimization model, a zero-one discrete variable is defined in order to solve the optimal placement of piezoelectric active bars. At the same time, the feedback gains are also optimized as continuous design variables. A two-phase procedure is proposed to solve the optimization problem. The sequential linear programming algorithm is used to solve optimization problem and the sensitivity analysis is carried out for objective and constraint functions to make linear approximations. On the basis of the Newmark time integration of structural transient dynamic responses, a new sensitivity analysis method is developed in this paper for the vibration control problem of piezoelectric truss structures with respect to various kinds of design variables. Numerical examples are given in the paper to demonstrate the effectiveness of the methods.