發(fā)布時(shí)間：2017-08-09 08:38

  本文關(guān)鍵詞：大型空間結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)等效建模與振動(dòng)控制研究

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【摘要】：隨著航天技術(shù)的發(fā)展,航天器結(jié)構(gòu)日益呈現(xiàn)出大型化和輕量化的特點(diǎn)。為確保大型空間結(jié)構(gòu)具有良好的動(dòng)力學(xué)品質(zhì),達(dá)到航天任務(wù)高精度、高可靠性要求,必須在其設(shè)計(jì)階段進(jìn)行有效的動(dòng)力學(xué)分析。此外,大型空間結(jié)構(gòu)不可避免地受到太陽輻射、航天器姿態(tài)調(diào)整、空間碎片沖擊等干擾,激發(fā)出的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)很難自行衰減。本文針對(duì)大型環(huán)形可展開空間結(jié)構(gòu)的等效動(dòng)力學(xué)建模及其振動(dòng)控制問題進(jìn)行研究。論文主要內(nèi)容如下:(1)研究了環(huán)形桁架結(jié)構(gòu)模型降階以及連續(xù)體等效問題。對(duì)于組成環(huán)形桁架結(jié)構(gòu)的平面桁架單元,同時(shí)考慮其面內(nèi)和面外變形,基于能量等效原理得到了各向異性等效梁模型的剛度和質(zhì)量參數(shù)及單元?jiǎng)偠染仃嚭蛦卧|(zhì)量矩陣,并對(duì)等效后的一維環(huán)形梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析。在忽略等效梁模型各向異性的情況下,將原環(huán)形桁架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的彈性圓環(huán)。數(shù)值算例驗(yàn)證了等效方法的正確性及采用彈性圓環(huán)簡(jiǎn)化模型的可行性。(2)采用能量等效方法,將大型可展索網(wǎng)天線中的三向拋物面索網(wǎng)結(jié)構(gòu)等效為具有均勻張力的各向同性拋物面薄膜,給出了等效薄膜剛度和質(zhì)量參數(shù)的計(jì)算方法。通過對(duì)拋物面索網(wǎng)結(jié)構(gòu)與等效薄膜固有振動(dòng)的對(duì)比和分析,驗(yàn)證了該等效方法的正確性。(3)基于Donnell非線性薄殼理論,采用Hamilton原理推導(dǎo)了充氣拋物面薄膜的非線性振動(dòng)方程,并根據(jù)薄殼振動(dòng)的Donnell簡(jiǎn)化理論及扁殼近似理論對(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)化。通過線性化充氣拋物面薄膜的振動(dòng)方程,獲得了近似解析解�？紤]邊界固定的情況,推導(dǎo)了充氣拋物面薄膜的頻率方程和振型函數(shù),并與有限元模型進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。(4)針對(duì)由充氣拋物面薄膜和充氣圓環(huán)組成的反射器結(jié)構(gòu),根據(jù)薄膜和圓環(huán)之間的位移連續(xù)性條件及力平衡條件,推導(dǎo)了自由狀態(tài)下充氣反射器結(jié)構(gòu)的頻率方程和振型函數(shù),并與有限元模型進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。(5)針對(duì)大型柔性空間結(jié)構(gòu)分布參數(shù)模型的振動(dòng)控制問題,采用譜分解方法設(shè)計(jì)了分布參數(shù)系統(tǒng)的線性二次型最優(yōu)控制器。以一個(gè)具有弱阻尼的圓環(huán)結(jié)構(gòu)的面內(nèi)振動(dòng)控制為例,直接利用圓環(huán)的偏微分運(yùn)動(dòng)方程設(shè)計(jì)最優(yōu)控制器,揭示了該方法在降低控制溢出方面的有效性。
【關(guān)鍵詞】：大型環(huán)形空間結(jié)構(gòu) 動(dòng)力學(xué)建模 充氣薄膜 扁殼理論 模型降階 分布參數(shù)系統(tǒng) 振動(dòng)控制
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：V414
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-16
• 第一章 緒論16-32
• 1.1 論文選題的意義和目的16-17
• 1.2 大型空間結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介17-23
• 1.2.1 平板陣列結(jié)構(gòu)17-18
• 1.2.2 桁架及網(wǎng)架結(jié)構(gòu)18-21
• 1.2.3 充氣薄膜結(jié)構(gòu)21-23
• 1.3 大型空間結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)與控制研究現(xiàn)狀23-29
• 1.3.1 動(dòng)力學(xué)建模方面23-28
• 1.3.2 振動(dòng)主動(dòng)控制方面28-29
• 1.4 本文研究?jī)?nèi)容與結(jié)構(gòu)安排29-32
• 第二章 空間環(huán)形桁架結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)等效建模32-49
• 2.1 周期桁架單元的連續(xù)體等效32-38
• 2.1.1 周期桁架單元運(yùn)動(dòng)學(xué)32-34
• 2.1.2 基于能量等效的周期桁架單元連續(xù)體等效34-38
• 2.2 環(huán)形桁架的等效環(huán)形梁模型38-39
• 2.3 環(huán)形桁架的圓環(huán)簡(jiǎn)化模型39-44
• 2.3.1 圓環(huán)簡(jiǎn)化模型的空間運(yùn)動(dòng)方程39-41
• 2.3.2 圓環(huán)簡(jiǎn)化模型的的固有振動(dòng)特性41-44
• 2.4 數(shù)值算例44-48
• 2.5 本章小結(jié)48-49
• 第三章 空間拋物面索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)等效建模49-64
• 3.1 拋物面索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的找形分析49-53
• 3.1.1 索網(wǎng)結(jié)構(gòu)力密度法找形的基本原理50-52
• 3.1.2 基于等力密度法的拋物面索網(wǎng)結(jié)構(gòu)找形分析52-53
• 3.2 拋物面索網(wǎng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析的等效薄膜模型53-57
• 3.2.1 拋物面索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的等效薄膜模型53-54
• 3.2.2 拋物面薄膜能量的計(jì)算54-55
• 3.2.3 拋物面索網(wǎng)能量的計(jì)算55-56
• 3.2.4 索網(wǎng)與薄膜的動(dòng)力學(xué)等效56-57
• 3.3 數(shù)值算例57-63
• 3.4 本章小結(jié)63-64
• 第四章 充氣拋物面薄膜結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)建模與分析64-90
• 4.1 充氣拋物面薄膜的理想狀態(tài)模型64-65
• 4.2 充氣拋物面薄膜的非線性振動(dòng)方程65-71
• 4.2.1 拋物面薄膜非線性振動(dòng)方程的推導(dǎo)65-69
• 4.2.2 拋物面薄膜非線性振動(dòng)方程的簡(jiǎn)化69-71
• 4.3 充氣拋物面薄膜的線性振動(dòng)71-79
• 4.3.1 拋物面薄膜線性振動(dòng)方程71
• 4.3.2 拋物面薄膜線性振動(dòng)方程的求解71-73
• 4.3.3 周邊固定拋物面薄膜的固有振動(dòng)特性73-74
• 4.3.4 數(shù)值算例74-79
• 4.4 充氣拋物面薄膜反射器的動(dòng)力特性分析79-89
• 4.4.1 充氣拋物面薄膜反射器的簡(jiǎn)化力學(xué)模型79-80
• 4.4.2 薄膜與圓環(huán)之間的相互作用80-82
• 4.4.3 充氣拋物面薄膜反射器的固有振動(dòng)特性82-84
• 4.4.4 數(shù)值算例84-89
• 4.5 本章小結(jié)89-90
• 第五章 基于分布參數(shù)模型的大型空間結(jié)構(gòu)振動(dòng)最優(yōu)控制90-105
• 5.1 分布參數(shù)控制系統(tǒng)的構(gòu)成及其數(shù)學(xué)模型90-91
• 5.2 分布參數(shù)系統(tǒng)的線性二次型最優(yōu)控制91-93
• 5.3 空間環(huán)形結(jié)構(gòu)面內(nèi)振動(dòng)的最優(yōu)控制93-104
• 5.3.1 固支圓環(huán)的面內(nèi)振動(dòng)方程93-95
• 5.3.2 圓環(huán)的狀態(tài)空間模型95-97
• 5.3.3 圓環(huán)的最優(yōu)控制97-98
• 5.3.4 數(shù)值算例98-104
• 5.4 本章小結(jié)104-105
• 第六章 總結(jié)與展望105-107
• 6.1 本文的主要工作與貢獻(xiàn)105
• 6.2 未來工作展望105-107
• 參考文獻(xiàn)107-117
• 致謝117-118
• 在學(xué)期間的研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文118-119
• 附錄 拋物面薄膜線性振動(dòng)方程(4.38)的求解119-121

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本文編號(hào)：644405