幾何非線性空間梁動力學(xué)仿真.pdf

1、在航空航天領(lǐng)域，出于降低發(fā)射成本和發(fā)射難度的目標(biāo)，航天器機(jī)構(gòu)的設(shè)計必須控制其重量與體積，同時要保證其具備期望的力學(xué)性能。為滿足上述要求，航空航天的探索任務(wù)中大量使用柔性可伸縮機(jī)構(gòu)和輕質(zhì)機(jī)構(gòu)，如桿狀衛(wèi)星天線、盤壓桿展開機(jī)構(gòu)等。柔性梁是這些機(jī)構(gòu)的基本組成部分，因此，建立大變形柔性梁的動力學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行動力學(xué)分析，對預(yù)測柔性梁機(jī)構(gòu)的動力學(xué)行為具有重要意義。復(fù)合材料薄壁梁構(gòu)件在航空航天、汽車、船舶等工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如飛機(jī)機(jī)翼等。由

2、于復(fù)合材料各向異性，其彈性變形理論不同于各項同性材料，建模時需要考慮橫截面的面外翹曲，研究復(fù)合材料梁的動力學(xué)特性具有重要的工程應(yīng)用價值。
　　為了研究大變形、大轉(zhuǎn)角空間梁的動力學(xué)問題，本文對幾何精確梁的動力學(xué)模型進(jìn)行改進(jìn)。首先用空間梁中軸線上任意一點的3個絕對位置坐標(biāo)和橫截面的3個姿態(tài)角描述梁截面的位置和姿態(tài)，建立應(yīng)變和曲率與位置坐標(biāo)、姿態(tài)角的關(guān)系，然后基于細(xì)長梁中軸線的切線方向與橫截面法線方向一致的假設(shè)，縮減了梁截面的姿態(tài)角個數(shù)

3、，根據(jù)虛功率原理建立了大變形細(xì)長空間梁的動力學(xué)方程。將幾何精確梁建模方法的計算結(jié)果和計算效率與大型工程軟件LS-DYNA進(jìn)行比較，驗證的本文方法的高效性。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮橫截面的面外翹曲變形，將幾何精確梁的建模理論推廣到復(fù)合材料薄壁梁。
　　本文的主要研究內(nèi)容如下：
　　第一章主要介紹梁結(jié)構(gòu)在工程中的應(yīng)用價值，綜述了梁的研究現(xiàn)狀、分析求解方法以及面臨的挑戰(zhàn)，提出本文研究的主要目標(biāo)。
　　第二章對大變形空間梁建模方法

4、進(jìn)行研究?；诩?xì)長梁的Euler-Bernoulli假設(shè)，從幾何非線性應(yīng)變和曲率的關(guān)系式出發(fā)，考慮拉伸變形、彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形，建立了大變形空間梁的動力學(xué)方程。在此基礎(chǔ)上，基于Hertz碰撞理論，建立了多點接觸碰撞的大變形空間梁的動力學(xué)模型，給出了接觸碰撞和分離的判據(jù)。最后介紹了求解大變形空間梁動力學(xué)方程的數(shù)值計算方法。
　　第三章在建立空間梁動力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，對大變形空間梁進(jìn)行動力學(xué)分析。首先用梁的靜力學(xué)算例驗證了幾何精確梁建

5、模方法的正確性，然后對大變形平面懸臂梁和空間懸臂梁進(jìn)行動力學(xué)數(shù)值仿真，將仿真結(jié)果與LS-DYNA軟件的計算結(jié)果進(jìn)行比較，論證了本文方法的高效性。最后對柔性單擺撞擊圓柱進(jìn)行動力學(xué)計算，實現(xiàn)了多點接觸碰撞的大變形梁的數(shù)值仿真。
　　第四章基于復(fù)合材料薄壁梁的基本假設(shè)，考慮橫截面的面外翹曲變形，利用Hamilton原理建立了各向異性薄壁封閉截面梁的動力學(xué)方程。研究了復(fù)合材料鋪層角對箱形截面薄壁梁自由振動頻率的影響，并對懸臂箱梁進(jìn)行動力學(xué)