曲梁和板殼結(jié)構(gòu)多體系統(tǒng)剛-柔耦合動力學(xué)研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、在航空航天領(lǐng)域,隨著多體系統(tǒng)柔性附件尺寸的彈性變形的增大,轉(zhuǎn)速的加快,運行精度要求的提高,系統(tǒng)的動力學(xué)性態(tài)越來越復(fù)雜,系統(tǒng)的剛-柔耦合效應(yīng)也越來越顯著,需要引起工程界的重視。如衛(wèi)星天線、太陽帆板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的槳葉等,在太陽輻射、風(fēng)力和構(gòu)件本身的慣性力等外界環(huán)境因素的綜合作用下,這些復(fù)雜構(gòu)型柔性構(gòu)件的彈性變形對大范圍運動的影響更為顯著。曲梁和板殼結(jié)構(gòu)作為這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)多體系統(tǒng)中的常用部件,建立其多體系統(tǒng)的動力學(xué)模型對于準(zhǔn)確預(yù)測現(xiàn)代工程中多體

2、系統(tǒng)的力學(xué)行為有重要的工程價值。
   為了解決曲梁和板殼結(jié)構(gòu)多體系統(tǒng)的計算精度和計算效率問題,本文提出了一種基于弧坐標(biāo)的剛-柔耦合動力學(xué)建模方法,采用三類坐標(biāo)系:慣性坐標(biāo)系、浮動坐標(biāo)系和曲線坐標(biāo)系對柔性體上任意點的位形進(jìn)行描述,用弧坐標(biāo)取代笛卡爾坐標(biāo),描述了曲梁上任意點的彈性變形,建立了曲梁上任意點的運動學(xué)關(guān)系。在此基礎(chǔ)上考慮幾何非線性,從曲梁的格林應(yīng)變關(guān)系式出發(fā)推導(dǎo)了變曲率曲梁的應(yīng)變和位移關(guān)系式,用曲梁單元取代直梁單元,建立

3、了適用于變曲率曲梁的有限元離散的剛-柔耦合動力學(xué)模型。首次開展了柔性曲梁的剛-柔耦合動力學(xué)實驗,將曲梁重力擺的剛-柔耦合動力學(xué)仿真結(jié)果與實驗結(jié)果進(jìn)行對比驗證了本文幾何非線性建模理論的正確性,并通過仿真算例研究了幾何非線性項對剛-柔耦合動力學(xué)特性的影響。將本文曲梁單元的仿真計算結(jié)果與直梁逼近單元的仿真計算結(jié)果進(jìn)行比較,驗證了本文曲梁單元模型的快速收斂性和有效性。
   在曲梁多體系統(tǒng)動力學(xué)建模理論研究的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究柱狀殼結(jié)構(gòu)多

4、體系統(tǒng)的幾何非線性動力學(xué)建模方法。引入曲線坐標(biāo)系描述柱狀殼結(jié)構(gòu)的彈性變形,采用二維的殼單元進(jìn)行離散,創(chuàng)新性地推導(dǎo)了適用于任意形狀柱狀殼的具有程式化特征的廣義彈性力陣,縮減了計算規(guī)模,避免了大型非線性剛度陣的計算,有利于廣義彈性力陣關(guān)于廣義坐標(biāo)的導(dǎo)數(shù)陣的高效計算。通過對重力作用下氣浮臺-柱狀殼和氣浮臺-矩形板的剛-柔耦合動力學(xué)實驗驗證了幾何非線性建模理論的正確性,指出了傳統(tǒng)的基于線彈性理論的建模方法處理大變形剛-柔耦合動力學(xué)問題的不足,并

5、對殼單元應(yīng)變計算的收斂性進(jìn)行分析。
   進(jìn)一步考慮了材料的各向異性,建立給定熱載荷作用下復(fù)合材料殼結(jié)構(gòu)多體系統(tǒng)的幾何非線性動力學(xué)模型。研究了熱變形和幾何非線性效應(yīng)對板殼結(jié)構(gòu)多體系統(tǒng)剛-柔耦合動力學(xué)特性的影響。為了能更有效地將本文的熱載荷作用下剛-柔耦合動力學(xué)建模理論研究與工程實際結(jié)合,考慮剛體姿態(tài)運動、彈性變形和溫度變化的相互耦合,首次建立了熱流密度與剛體姿態(tài)坐標(biāo)和彈性坐標(biāo)的精確關(guān)系式,提出了剛-柔-熱三者耦合的動力學(xué)建模方法

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