空間大范圍運(yùn)動柔性體動力響應(yīng)分析平臺研究
本文關(guān)鍵詞：空間大范圍運(yùn)動柔性體動力響應(yīng)分析平臺研究
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【摘要】：撓性航天器越來越廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代航天領(lǐng)域中，撓性體的空間大范圍運(yùn)動屬于柔性多體系統(tǒng)動力學(xué)的研究范疇。柔性多體系統(tǒng)動力學(xué)是多體系統(tǒng)動力學(xué)中的一類特殊問題，其系統(tǒng)中柔性體的變形與運(yùn)動相互耦合，使得預(yù)示系統(tǒng)的響應(yīng)變得更加復(fù)雜，需要建立合理的剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型。本文重點(diǎn)研究空間大范圍運(yùn)動柔性體的變形和運(yùn)動之間的耦合關(guān)系，研究對象為柔性實(shí)體結(jié)構(gòu)和柔性梁結(jié)構(gòu)，并最后建立解決這類問題的分析平臺。 混合坐標(biāo)法是柔性多體系統(tǒng)動力學(xué)建模最常用的方法之一，柔性體的變形在隨柔性體運(yùn)動的坐標(biāo)系中描述，屬于一種零次近似耦合模型，該方法能夠高效地解決柔性體在小變形情況下的柔性多體系統(tǒng)動力學(xué)問題。然而，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，工程中的柔性多體系統(tǒng)更加復(fù)雜，柔性體在很多情況下發(fā)生大變形，應(yīng)用小變形理論的傳統(tǒng)混合坐標(biāo)法無法準(zhǔn)確預(yù)測系統(tǒng)的響應(yīng)，甚至出現(xiàn)完全錯誤的結(jié)果。1987年，Kane[1]在研究懸臂梁的高速旋轉(zhuǎn)問題時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)角速度超過某個臨界值時，采用零次近似耦合模型的方法得到了錯誤發(fā)散的結(jié)果，至此科研工作者開始認(rèn)識到零次近似耦合模型的缺陷，并深入地研究符合實(shí)際的理論模型。顯然，一個理論模型好壞的首要標(biāo)準(zhǔn)是可靠性，一個不合理的理論模型是無法應(yīng)用于工程當(dāng)中的，為此本文的研究目標(biāo)是建立更加可靠的剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型。 本文的建模方法基于傳統(tǒng)的混合坐標(biāo)法，依然采用三類參考坐標(biāo)系：建立動力學(xué)方程的慣性坐標(biāo)系、隨柔性體運(yùn)動的隨動坐標(biāo)系和單元變換坐標(biāo)系。通過隨動坐標(biāo)系將柔性體的運(yùn)動和變形分離，通過單元變換坐標(biāo)系將單元坐標(biāo)系中的位形轉(zhuǎn)換到隨動坐標(biāo)系中，最后在慣性坐標(biāo)系下通過Kane方程建立系統(tǒng)的動力學(xué)方程。有別于傳統(tǒng)的混合坐標(biāo)法，本文采用非線性應(yīng)變-位移理論對柔性體的位形進(jìn)行描述，因此保留了方程中的高階次的剛?cè)狁詈享?xiàng)，從而能夠解決柔性多體系統(tǒng)產(chǎn)生大變形情況下的響應(yīng)計(jì)算問題。本文研究對象包括柔性實(shí)體和柔性梁，二者分別使用八節(jié)點(diǎn)六面體等參元和歐拉梁單元進(jìn)行離散，通過非線性有限元的虛功原理建立了柔性體的平衡方程，，最后使用中心差分法等數(shù)值算法求解方程，從而得到系統(tǒng)的動力響應(yīng)。
【關(guān)鍵詞】：剛?cè)狁詈?/strong> 柔性多體系統(tǒng) 數(shù)值仿真 非線性有限元
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：V414
【目錄】：
- 摘要4-6
- ABSTRACT6-11
- 第1章 緒論11-17
- 1.1 本文研究的背景和意義11-12
- 1.2 大范圍運(yùn)動柔性體動力學(xué)分析的發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀12-16
- 1.2.1 發(fā)展歷史12-14
- 1.2.2 研究現(xiàn)狀14-16
- 1.3 本文的主要工作16-17
- 第2章 大范圍運(yùn)動柔性體動力學(xué)建模理論17-29
- 2.1 引言17-18
- 2.2 大范圍運(yùn)動柔性體動力學(xué)模型18-23
- 2.2.1 柔性體任一點(diǎn)運(yùn)動學(xué)描述18-20
- 2.2.2 系統(tǒng)的動力學(xué)方程20-23
- 2.3 求解動力學(xué)問題的數(shù)值算法23-27
- 2.3.1 子空間迭代法23-24
- 2.3.2 中心差分法24-26
- 2.3.3 Newmark-beta 法26-27
- 2.4 本章小結(jié)27-29
- 第3章 大范圍運(yùn)動柔性實(shí)體動力學(xué)分析29-45
- 3.1 引言29
- 3.2 大范圍運(yùn)動柔性實(shí)體動力學(xué)模型29-33
- 3.2.1 實(shí)體單元內(nèi)任一點(diǎn)運(yùn)動學(xué)描述29-31
- 3.2.2 八節(jié)點(diǎn)六面體等參元31-33
- 3.3 大范圍運(yùn)動柔性實(shí)體動力學(xué)方程33-39
- 3.3.1 應(yīng)變和應(yīng)力的度量33-35
- 3.3.2 動力學(xué)方程的建立35-37
- 3.3.3 動力學(xué)方程的有限元格式37-39
- 3.4 大范圍運(yùn)動柔性實(shí)體動力學(xué)分析39-44
- 3.4.1 模型描述39-41
- 3.4.2 高階次應(yīng)變位移關(guān)系的影響41-44
- 3.5 本章小結(jié)44-45
- 第4章 大范圍運(yùn)動柔性梁動力學(xué)分析45-61
- 4.1 引言45
- 4.2 大范圍運(yùn)動柔性梁動力學(xué)模型45-49
- 4.2.1 梁單元內(nèi)任一點(diǎn)運(yùn)動學(xué)描述45-47
- 4.2.2 歐拉梁單元47-49
- 4.3 大范圍運(yùn)動柔性梁動力學(xué)方程49-53
- 4.3.1 幾何非線性動力學(xué)方程的 U.L.格式49-50
- 4.3.2 歐拉梁的幾何非線性動力學(xué)方程50-53
- 4.4 大范圍運(yùn)動柔性梁動力學(xué)分析53-58
- 4.4.1 高階次應(yīng)變位移關(guān)系的影響53-56
- 4.4.2 分析平臺的實(shí)現(xiàn)56-58
- 4.5 本章小結(jié)58-61
- 第5章 全文總結(jié)61-63
- 參考文獻(xiàn)63-66
- 附錄66-74
- 作者簡介74-76
- 致謝76
【參考文獻(xiàn)】
中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前8條
1 陳政清;;梁桿結(jié)構(gòu)幾何非線性有限元的數(shù)值實(shí)現(xiàn)方法[J];工程力學(xué);2014年06期
2 蔣麗忠,洪嘉振;柔性多體系統(tǒng)產(chǎn)生動力剛化原因的研究[J];計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào);1999年04期
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4 洪嘉振，蔣麗忠;動力剛化與多體系統(tǒng)剛-柔耦合動力學(xué)[J];計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào);1999年03期
5 洪嘉振,蔣麗忠;柔性多體系統(tǒng)剛-柔耦合動力學(xué)[J];力學(xué)進(jìn)展;2000年01期
6 蔣麗忠,洪嘉振;作大運(yùn)動彈性薄板中的幾何非線性與耦合變形[J];力學(xué)學(xué)報(bào);1999年02期
7 ;Nonlinear dynamic analysis on rigid-flexible coupling system of an elastic beam[J];Theoretical & Applied Mechanics Letters;2012年02期
8 陳政清,曾慶元,顏全勝;空間桿系結(jié)構(gòu)大撓度問題內(nèi)力分析的UL列式法[J];土木工程學(xué)報(bào);1992年05期
本文編號：875737
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