航天器阻尼結(jié)構(gòu)的若干動力學(xué)正問題和反問題研究.pdf

1、為了提高航天器結(jié)構(gòu)設(shè)計水平，降低航天結(jié)構(gòu)全局或局部響應(yīng)水平，本論文對航天器結(jié)構(gòu)設(shè)計中所用到的阻尼結(jié)構(gòu)模型以及分析和計算方法進行研究，建立了一套綜合了大型阻尼結(jié)構(gòu)的動力學(xué)分析（正問題）和動力學(xué)設(shè)計（反問題）的方法。這些算法涉及：大型非比例阻尼結(jié)構(gòu)復(fù)特征值計算方法、阻尼子結(jié)構(gòu)模型縮聚方法、基于頻響函數(shù)的模型修改算法、含柔性連接的子結(jié)構(gòu)模型綜合以及基于頻響函數(shù)的結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計理論等。論文提出或改進了一些方法，并分析了這些算法在航天結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

2、主要內(nèi)容如下：
　　針對航天器結(jié)構(gòu)發(fā)射階段或在軌階段的動力學(xué)要求，分析了適用于航天結(jié)構(gòu)的常見局部阻尼形式。其中，離散式阻尼一般用在結(jié)構(gòu)連接處，因此在動力學(xué)建模時多被等效成彈簧并聯(lián)阻尼的形式；而分布式阻尼則連續(xù)分布在結(jié)構(gòu)局部，在進行動力學(xué)分析時需要將非線性阻尼線性化處理。并且以金屬橡膠阻尼材料和粘彈性約束阻尼結(jié)構(gòu)為代表研究了離散式阻尼形式和分布型阻尼形式的阻尼建模方法。
　　針對大型阻尼結(jié)構(gòu)的動力學(xué)分析和設(shè)計的需求，對大型非比

3、例阻尼結(jié)構(gòu)復(fù)模態(tài)計算方法進行了全面的研究。通過對原有算法的完善和改進，發(fā)展出完整的適于用大型阻尼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)動力學(xué)特征值計算方法。該算法首先通過分塊三角分解將非比例阻尼結(jié)構(gòu)動力學(xué)的特征問題轉(zhuǎn)化成標準的特征問題，進而，算法采用復(fù)矩陣的Lanczos算法將求解規(guī)模降低到需要的階數(shù)，再使用帶移位的雙重步 QR算法計算經(jīng)過轉(zhuǎn)化的上 Hessenberg型實矩陣的全部復(fù)特征值和特征向量。該算法適合于具有各種不同的阻尼形式的結(jié)構(gòu)動力學(xué)問題，并且具有高

4、效穩(wěn)定的特點。
　　為了適應(yīng)大型航天結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析和設(shè)計的需要，發(fā)展了一種阻尼子結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型縮聚方法。首先，建立子結(jié)構(gòu)的約束模態(tài)集和靜約束模態(tài)集并以此建立坐標變換式得到半解耦的動力學(xué)方程；其次，利用約束模態(tài)的模態(tài)有效質(zhì)量矩陣將子結(jié)構(gòu)縮聚在選定自由度的物理坐標上，由于模態(tài)有效質(zhì)量隨著約束模態(tài)頻率的增大而迅速收斂，因此只要保留很少的幾個模態(tài)就可計算出精度較高的結(jié)果。該算法利用模態(tài)矩陣進行坐標變換，但是縮聚后的系統(tǒng)卻只包含選定自由度的

5、物理坐標，因此既能保證精度又能保持物理意義的完整。
　　研究了基于頻響函數(shù)的結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型修正算法。首先提出一種改進的矩陣型頻響函數(shù)模型修改方法，改進后的算法可以用于含柔性連接的子結(jié)構(gòu)的綜合，方法是將柔性連接看做對非耦聯(lián)結(jié)構(gòu)的修改。利用改進的頻響函數(shù)模型修改算法對子結(jié)構(gòu)進行綜合，系統(tǒng)方程中各子結(jié)構(gòu)與連接的動力學(xué)關(guān)系明晰，便于對其進行修改和重分析，并且該算法將動態(tài)子結(jié)構(gòu)方法與結(jié)構(gòu)模型修改與重分析結(jié)合在一起，最后，通過基于頻響函數(shù)的靈

6、敏度分析得到完整的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計算法流程。
　　根據(jù)某氣象衛(wèi)星提出的對關(guān)鍵部位的靜力學(xué)和動力學(xué)要求，研究了一種可同時改善結(jié)構(gòu)熱變形和抑制高頻振動的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，并通過分析結(jié)構(gòu)靜力學(xué)和動力學(xué)特性的變化，研究了該設(shè)計方案的靜變形和動響應(yīng)抑制機理和效果。此方案的主要思想是：在主要的靜力學(xué)和動力學(xué)擾動的傳遞路徑上使用阻尼柔性連接裝置進行連接，利用阻尼柔性連接裝置的高柔性釋放結(jié)構(gòu)不同部位之間的熱應(yīng)力，利用阻尼柔性連接裝置的高阻尼抑制結(jié)構(gòu)