基于修正的Craig-Bampton法的大长径比助推器分离特性研究

在芯级周围布置助推器是提升运载能力的有效手段。对于长径比较高的助推器,结构呈现明显的局部弹性效应,这将对助推器分离的安全性产生影响。针对传统Craig-Bampton方法无法适用于大范围运动弹性体的不足,本文采用修正的Craig-Bampton法获得系统的正则化模态,使研究对象的所有模态与频率一一对应,实现分离体大范围刚体运动与弹性变形的有效耦合。基于该方法开展柔性多体动力学仿真,获得了不同模态阶数和结构刚度的弹性助推器分离系统的分离特性。研究结果表明,与传统的刚体模型相比,考虑助推器弹性效应的分离动力学模型更加贴近真实飞行情况。基于此,获得了各阶模态和结构刚度对分离安全边界的影响规律,其中以一阶横向模态最为敏感。通过研究弹性助推器的分离特性,为运载火箭助推器分离系统的工程实际应用提供理论参考和研究支撑。     

柔性多体系统动力学实验研究综述

介绍了国内外柔性多体系统动力学实验研究现状,分为三个方面,即理论模型验证实验、动力学特性的实验研究和其它实验.柔性多体系统动力学建模理论的发展经历了3个阶段:运动-弹性动力学(KED)方法、传统混合坐标方法和计及了动力刚化效应的各种非线性理论.关于这些理论的模型验证实验均在本文中作了重点介绍.文中还对柔性多体系统动力学性态的研究实验也作了介绍,包括系统模态特性和共振等非线性力学行为.关于机械臂控制和碰撞研究实验虽有提及,但不作为重点.随后,着重介绍了柔性体弹性振动位移的测量和阻尼因素的处理这两个在实验不可避免但又难以解决的问题,尤其是结构阻尼和大范围运动引起的空气阻力.最后指出了今后的研究方向.文中对一些较为重要的实验装置也着重予以介绍,并给出了部分实验图片及数据曲线,以给读者一个更好的理解和参考.      

作大范围回转运动柔性梁斜碰撞动力学研究

为正确估计由于碰撞引起的多柔体系统动力学特性的变化,针对作大范围回转运动的柔性梁与一固定斜面发生斜碰撞的情况,在考虑刚柔耦合效应的多柔体系统动力学建模理论的基础上,利用假设模态法建立起重力场作用下的柔性梁一致线性化动力法向碰撞过程中系统的动力行为。基于Ｈｅｒｔｚ接触理论和非线性阻尼项建立法向碰撞接触模型,基于线性切向接触刚度建立柔性梁切向碰撞接触模型,提出的数值算法保证了计算结果的合理性,给出的仿     

复合柔性结构全局模态函数提取与状态空间模型构建

随着航空航天等领域中实际工程结构的大型化和柔性化,结构的非线性振动和主动振动控制问题越来越凸显.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的非线性动力学模型与状态空间模型.对于由柔性部件、刚体、连接部件构成的复合柔性结构,由于各部件之间的振动耦合效应,单个柔性部件在悬臂、简支和自由等静定边界下的模态与结构的真实模态有较大差异.为此,本文提出复合柔性结构全局模态的解析提取方法,通过全局模态离散得到系统非线性动力学模型,从而构建状态空间模型.该方法采用笛卡尔坐标描述系统的运动,建立系统的运动方程;结合描述柔性部件的偏微分方程、刚体的常微分运动方程、连接界面处力、力矩、位移和转角的匹配条件以及系统的边界条件,利用分离变量法给出统一形式的频率方程,获取系统的固有频率和解析函数表征的全局模态.这里提出的全局模态提取方法不仅便于复合柔性结构固有频率和全局模态的参数化分析,而且为建立复合柔性结构低维非线性动力学模型和状态空间模型提供了有效的途径,对于推进这类结构的非线性动力学分析与主动振动控制研究具有重要意义.      

复合柔性结构全局模态函数提取与状态空间模型构建

随着航空航天等领域中实际工程结构的大型化和柔性化,结构的非线性振动和主动振动控制问题越来越凸显.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的非线性动力学模型与状态空间模型.对于由柔性部件、刚体、连接部件构成的复合柔性结构,由于各部件之间的振动耦合效应,单个柔性部件在悬臂、简支和自由等静定边界下的模态与结构的真实模态有较大差异.为此,本文提出复合柔性结构全局模态的解析提取方法,通过全局模态离散得到系统非线性动力学模型,从而构建状态空间模型.该方法采用笛卡尔坐标描述系统的运动,建立系统的运动方程;结合描述柔性部件的偏微分方程、刚体的常微分运动方程、连接界面处力、力矩、位移和转角的匹配条件以及系统的边界条件,利用分离变量法给出统一形式的频率方程,获取系统的固有频率和解析函数表征的全局模态.这里提出的全局模态提取方法不仅便于复合柔性结构固有频率和全局模态的参数化分析,而且为建立复合柔性结构低维非线性动力学模型和状态空间模型提供了有效的途径,对于推进这类结构的非线性动力学分析与主动振动控制研究具有重要意义.     

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。     

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.      

考虑刚弹耦合作用的柔性多体连续系统动力学建模

基于Ｈａｍｉｌｔｏｎ原理建立起一般柔性体连续系统的动力学建模方法,进而以水平面内作大范围回转运动的柔性梁为例,在Ｅｕｌｅｒ－Ｂｅｒｎｏｕｌｌｉ梁模型的假设前提下,根据轴向不可伸长的柔性梁的几何约束条件;推导出作大范围刚体运动的柔性梁连续系统的一致线性化振动微分方程．采用假设模态法对其离散化,导出考虑刚弹耦合作用的柔性梁有限维离散化动力学模型．最后给出仿真算例,验证了该方法的有效性．     

旋转功能梯度智能结构的刚-柔耦合动力学分析

基于一次耦合模型理论建立了中心刚体-压电层-功能梯度材料智能梁系统的刚柔耦合动力学模型．研究了开环状态下将压电材料作为传感器的压电效应和质量刚度效应对系统动力学特性的影响．通过仿真算例与另两种不同建模理论（传统零次近似耦合模型、一次近似耦合模型）作了对比．随着中心刚体外驱动力矩的增大,零次近似耦合模型和一次近似耦合模型计算结果逐渐发散,而本文的一次耦合模型的计算结果始终保持收敛,较其他近似耦合模型具有一定优势．对三种不同的结构的计算结果表明,压电材料的压电效应对系统的动力学特性影响显著,压电材料的质量刚度效应也会影响智能梁的动力学行为,前者比后者的影响大得多．此外,功能梯度材料功能梯度指数对系统动力学特性的影响也较大．     

作大范围运动弹性梁的动力刚化分析

刚体大范围运动与弹性梁的变形运动的相互耦合将产生动力刚化现象，在经典的动力学理论中无法解释这种现象。本文给出了该系统的运动描述方法，利用Ｈａｍｉｌｔｏｎ变分原理建立了动力学控制方程，利用Ｇａｒｌｅｒｋｉｎ模态截断研究了产生动力刚化的原因及其动力学性质，从本质上解释了学者们多年来一直在研究的动力硬化现象，最后用数值模拟验证了理论的正确性。本文所得结论有益于柔性多体系统动力学的发展。     

中心刚体-柔性梁系统的最优跟踪控制

对考虑阻尼影响的中心刚体-柔性梁系统的动力特性和主动控制进行研究. 研究 中考虑了3种动力学模型：一次近似耦合模型、一次近似简化模型和线性化模型. 一次近 似模型中同时考虑了柔性梁的轴向变形和横向变形. 若在一次近似耦合模型中忽略轴向变 形的影响,则可得出一次近似简化模型. 线性化模型是对一次近似简化模型的线性化处理. 另外研究中考虑了3种阻尼因素：结构阻尼、风阻、中心刚体轴承处的阻尼. 控制设计采 用最优跟踪控制方法. 给出了从物理测量中提取模态坐标的滤波器方法. 研究结果显 示,一次近似简化模型能够有效地对系统的动力学行为进行描述;阻尼对系统的动力学特 性有着重要影响;当系统大范围运动为低速时,模态滤波器能够较好地提取出控制律所需 的模态坐标,最优跟踪控制方法能够使得系统跟踪所期望的运动轨迹,并且柔性梁的弹性 振动可得到抑制.     

链状柔性多体机器人系统动力学研究

本文基于Ｊｏｕｒｄａｉｎ变分原理建立了具有链状拓扑结构柔性多体机器人系统动力学通用模型，用在一致质量有限单元法及正则模态分析基础上引入的模态坐标描述构件的弹性形，用独立坐标描述相邻板件间的大位移运动，每个铰容许１－６个自由度，组强非线性惯性耦合的封闭形式的系统动力学微分方程组，文末对单弹性臂和双弹性臂机器人操作手进行动力学仿真。     

基于李群局部标架的多柔体系统动力学建模与计算

多柔体系统动力学主要研究由多个具有运动学约束、存在大范围相对运动的柔性部件构成的动力学系统的建模、计算和控制.多柔体系统不仅具有柔体大变形导致的几何非线性,更具有大范围刚体运动引起的几何非线性,其非线性程度远高于计算结构力学所研究的几何非线性问题.本文基于李群局部标架(local frame of Lie group, LFLG),讨论如何发展一套新的多柔体系统动力学建模和计算方法体系,具体内容包括:基于局部标架的梁、板壳单元,适用于长时间历程计算的多柔体系统碰撞动力学积分算法,结合区域分解技术的大规模多柔体系统动力学并行求解器,以及若干验证性算例.上述基于李群局部标架的方法体系可在计算中消除刚体运动带来的几何非线性问题,使柔体系统的广义惯性力、广义弹性力及其雅可比矩阵满足刚体运动的不变性,使多柔体系统动力学与大变形结构力学相互统一,有望推动新一代多柔体系统动力学建模和计算软件的发展.     

两类基于局部标架梁单元的闭锁缓解方法

对于大转动、大变形柔性体的刚柔耦合动力学问题,基于李群SE(3)局部标架(local frame formulation,LFF)的建模方法能够规避刚体运动带来的几何非线性问题,离散数值模型中广义质量矩阵与切线刚度矩阵满足刚体变换的不变性,可明显地提高柔性多体系统动力学问题的计算效率.有限元方法中,闭锁问题是导致单元收...     

多刚体系统分离策略及释放动力学研究

紧密连接的多刚体系统可在脱离运载航天器后在轨自主分离,无需多次利用航天器发射装置或在航天器中安装多个发射装置进行分离释放,从而有效提高运载航天器空间利用率, 简化分离释放操作和降低碰撞风险.本文针对多刚体系统的在轨分离释放问题, 研究在轨分离策略及释放过程动力学.首先, 考虑刚体相对运动及姿态变化,基于虚功原理及自然坐标方法建立单个刚体的动力学模型.考虑多刚体系统在轨分离释放阶段的轨道运动和连接约束变化,计入分离时刚体间的相互作用,利用拉格朗日乘子法获得含连接约束的非线性动力学模型. 考虑到实际工程应用,在多刚体系统分离释放阶段,通过安装在刚体间每个接触表面4个角上的弹射装置实现自主分离. 其次,为保证分离过程中刚体之间无碰撞发生, 规划了多刚体系统的分离时序,并基于不同弹射方向及分离顺序设计了两种分离释放方案. 最后,通过算例研究分析了在轨分离释放过程中刚体的非线性动力学行为,验证了分离释放方案的有效性.      

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.     

矩形薄板的刚柔耦合动力学系统的建模理论研究

以由中心刚体与柔性板构成的刚柔耦合系统为对象,研究了零次近似模型和耦合模型在动力学方程以及实际计算中表现出来的差异.首先,从连续介质理论出发,在变形位移中,计及了在结构动力学中被忽略的变形位移的附加耦合项,建立了由中心刚体与柔性板构成的刚柔耦合系统的一次近似动力学模型.用一致质量有限元法对柔性板进行离散,基于Jourdain速度变分原理推导出大范围运动为自由的柔性板刚柔耦合动力学连续变分方程.通过数值仿真研究中心刚体和柔性板的大范围运动和变形运动的规律,揭示刚柔耦合动力学性质.通过数值对比,指出了零次近似模型的局限性.     

旋转中心刚体-FGM梁刚柔热耦合动力学特性研究

对旋转中心刚体-功能梯度材料(functionally graded material,FGM)梁刚柔热耦合动力学特性进行研究.FGM梁为物理性能参数沿厚度方向呈幂律分布的欧拉伯努利梁.考虑柔性梁的横向弯曲变形和轴向拉伸变形, 并计入横向弯曲变形引起的纵向缩短,即非线性耦合变形量.考虑变截面空心梁在外部高温、内冷通道冷却情况下的热力耦合对系统动力学特性的影响,求解得到FGM梁沿厚度方向分布的温度场, 进而在本构关系中计入热应变.采用假设模态法对柔性梁变形场进行离散,运用第二类拉格朗日方程推导得到系统的刚柔热耦合动力学方程,并编制动力学仿真软件, 然后通过仿真算例对系统的动力学问题进行研究.结果表明:不同截面梁动力学响应差异较大, 因此需对实际系统合理建模;大范围运动已知时, 考虑热冲击载荷的FGM梁将有效抑制横向弯曲变形,而大范围运动恒定时随热冲击的叠加会出现高频振荡; 大范围运动未知时,外力矩和热冲击载荷相互作用产生热力耦合效应, 导致系统呈现高频振荡,同时与中心刚体大范围旋转运动产生刚柔热耦合效应.      

考虑尺度效应的夹层楔形多孔梁动力学分析

基于修正偶应力理论,研究了具有大范围旋转中心刚体-功能梯度夹层Euler-Bernoulli楔形多孔柔性微梁系统的动力学特性.楔形梁是中间层为不完全功能梯度层,两表层为均质材料的功能梯度夹层结构,它可以减小传统夹层结构由于层与层之间材料属性的不同导致脱粘类型损伤的影响.采用假设模态法描述变形,考虑具有捕捉动力刚化效应的非线性耦合项,计及von Karman几何非线性应变,运用第二类Lagrange方程,导出了适用于较大变形的高次刚柔耦合动力学方程.对在平面内做大范围运动的中心刚体-功能梯度夹层Euler-Bernoulli楔形多孔微梁的动力学特性进行了详细研究.研究表明:功能梯度夹层楔形梁表层结构高度、旋转角速度、功能梯度幂指数、尺度参数、孔隙度以及各层结构的体积分数对系统的动力学特性都有很大的影响;功能梯度夹层楔形梁综合了功能梯度直梁和楔形梁的特性,其相对于功能梯度直梁的固有频率增大,同时使得孔隙度对结构固有频率变化趋势的影响不再与功能梯度直梁相同;由于柔性梁变形能中具有横向与轴向的耦合势能,系统在稳态下的平衡位置发生了迁移现象;系统随着尺度参数的变化发生了频率转向与振型转换.     

考虑尺度效应的夹层楔形多孔梁动力学分析

基于修正偶应力理论, 研究了具有大范围旋转中心刚体-功能梯度夹层Euler-Bernoulli楔形多孔柔性微梁系统的动力学特性.楔形梁是中间层为不完全功能梯度层, 两表层为均质材料的功能梯度夹层结构, 它可以减小传统夹层结构由于层与层之间材料属性的不同导致脱粘类型损伤的影响.采用假设模态法描述变形, 考虑具有捕捉动力刚化效应的非线性耦合项, 计及von Kármán几何非线性应变, 运用第二类Lagrange方程, 导出了适用于较大变形的高次刚柔耦合动力学方程.对在平面内做大范围运动的中心刚体-功能梯度夹层Euler-Bernoulli楔形多孔微梁的动力学特性进行了详细研究.研究表明: 功能梯度夹层楔形梁表层结构高度、旋转角速度、功能梯度幂指数、尺度参数、孔隙度以及各层结构的体积分数对系统的动力学特性都有很大的影响; 功能梯度夹层楔形梁综合了功能梯度直梁和楔形梁的特性, 其相对于功能梯度直梁的固有频率增大, 同时使得孔隙度对结构固有频率变化趋势的影响不再与功能梯度直梁相同; 由于柔性梁变形能中具有横向与轴向的耦合势能, 系统在稳态下的平衡位置发生了迁移现象; 系统随着尺度参数的变化发生了频率转向与振型转换.