鉸鏈及含鉸折展桁架非線性動(dòng)力學(xué)建模與分析.pdf

1、可折展桁架機(jī)構(gòu)作為大型空間支撐臂、星載天線背架等空間結(jié)構(gòu)，具有支撐剛度大、折疊體積小、質(zhì)量輕、易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于載人航天及對地觀測等空間活動(dòng)中。隨著我國國防事業(yè)的發(fā)展，對空間用折展機(jī)構(gòu)的要求越來越高，如工作精度、抗干擾能力等，這些都與結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性密切相關(guān)。因此，進(jìn)行可折展桁架機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性研究，對指導(dǎo)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和分析及其性能提高具有重要的意義。
　　本文選擇平面回轉(zhuǎn)鉸鏈和球鉸為研究對象，考慮鉸鏈的間隙、接觸、碰撞等因素

2、，對其導(dǎo)致的非線性剛度和阻尼進(jìn)行研究。基于經(jīng)驗(yàn)接觸公式和接觸約束，建立鉸鏈徑向的非線性接觸模型，并通過實(shí)驗(yàn)對接觸模型的正確性進(jìn)行驗(yàn)證?；诤g隙鉸鏈固有頻率解析模型，建立鉸鏈的徑向動(dòng)剛度模型。通過建立鉸鏈側(cè)向動(dòng)力學(xué)模型和理論分析得到平面回轉(zhuǎn)鉸鏈側(cè)向摩擦和碰撞產(chǎn)生的阻尼模型，分析預(yù)緊力、鉸鏈間隙和結(jié)構(gòu)剛度等參數(shù)對阻尼的影響，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。鉸鏈阻尼和剛度的研究為可折展桁架機(jī)構(gòu)的高精度動(dòng)力學(xué)分析和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。
　　基于瞬時(shí)

3、變形和模態(tài)疊加綜合的動(dòng)力學(xué)分析方法，推導(dǎo)得到不同結(jié)構(gòu)特性下的模態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣，為具有非連續(xù)特性的含鉸結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析奠定基礎(chǔ)和提供了可靠的分析途徑。以單個(gè)鉸鏈梁結(jié)構(gòu)為研究對象，基于振型理論和不同約束邊界，分析鉸鏈剛度對鉸鏈梁結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型的影響。推導(dǎo)得到含間隙鉸鏈的雙梁結(jié)構(gòu)固有頻率和振型，進(jìn)行含鉸鏈雙梁的動(dòng)力學(xué)分析。此外，建立含鉸鏈梁結(jié)構(gòu)沿梁軸線方向的碰撞模型，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　考慮鉸鏈在梁彎曲方向的剛度和阻尼特

4、性，建立含鉸鏈梁結(jié)構(gòu)的線性動(dòng)力學(xué)模型，分析鉸鏈數(shù)目和剛度對鉸-梁結(jié)構(gòu)固有頻率和振型的影響?；谥C波展開法建立鉸鏈非線性力的諧波轉(zhuǎn)化關(guān)系，進(jìn)行不同非線性因素的鉸鏈固有頻率特性分析。建立含鉸鏈梁結(jié)構(gòu)的非線性動(dòng)力學(xué)模型，分析鉸鏈在不同非線性特性下各參數(shù)對結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的影響，得到結(jié)構(gòu)固有頻率隨鉸鏈間隙、剛度和激振力的變化規(guī)律。通過固有頻率脊線求解，得到結(jié)構(gòu)固有頻率極值隨鉸鏈數(shù)量、位置和剛度的變化曲面，通過非線性擬合得到鉸鏈參數(shù)對結(jié)構(gòu)固有頻率的影

5、響函數(shù)，其計(jì)算方法和結(jié)果在多維復(fù)雜結(jié)構(gòu)中具有一定的擴(kuò)展性，為可折展結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和研究提供參考。
　　將鉸鏈動(dòng)力學(xué)模型引入折展桁架中，建立折展桁架結(jié)構(gòu)的非線性動(dòng)力學(xué)模型。基于中心差分法，提出求解非線性系統(tǒng)的附加力方法，實(shí)現(xiàn)非線性多自由度系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析，得到鉸鏈間隙、外部激振力和摩擦力等因素對折展桁架固有頻率和動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的影響。對空間折展桁架進(jìn)行分析，得到多個(gè)參數(shù)對結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的影響，通過多自由度折展桁架的振動(dòng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行理論模型驗(yàn)證。

6、考慮鉸和索的非線性特性，建立含索鉸結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型，利用非線性系統(tǒng)相圖進(jìn)行各參數(shù)對響應(yīng)穩(wěn)定性的影響研究。
　　為了得到含鉸鏈的桁架結(jié)構(gòu)在高頻率激勵(lì)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，滿足大型可折展機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析需要，提出頻域剛度陣和質(zhì)量陣的概念?；诳v波和橫波波動(dòng)方程和對方程的傅里葉變換，建立桿和梁的頻域剛度陣和質(zhì)量陣。通過一端固支一端自由桿的固有頻率的理論解、普通有限元解和動(dòng)態(tài)剛度解的對比，驗(yàn)證頻域有限單元陣的有效性和優(yōu)勢?；趹?yīng)變能和節(jié)點(diǎn)位移等效