三棱直线桁架的连续体等效及承载特性研究

随着大型装备制造及航天工程的发展,桁架在结构轻量化设计中的作用越来越显著。针对桁架结构各方向上不同的承载需求,利用连续体等效方法研究了三棱直线桁架的承载特性。考虑桁架截面特征,基于能量等效原则将离散桁架等效为连续介质梁模型,获得连续介质梁模型的等效刚度和等效质量,对比验证了桁架结构的数值计算频率和等效梁模型的理论推导结果,研究了在改变桁架横截面边长比例时其横向弯曲刚度和频率的变化趋势,分析了单胞形式对桁架横向弯曲刚度及频率的影响。研究结论对桁架结构在工程中的应用有一定的指导意义。     

基于NES的空间桁架结构被动减振研究

该文利用等效方法将由众多杆件构成的、离散的空间直线式桁架等效为连续梁,对等效梁附加NES(非线性能量阱)的桁架结构进行瞬态减振研究。通过等效方法将梁式桁架结构建模为等效线性连续系统(有限长度梁),并用有限元模型对其进行了验证。建立了含NES附件的等效悬臂梁的振动控制方程,并采用伽辽金法进行离散,分别分析了附加和不附加NES附件的梁在外激励下的横向振动位移响应。通过计算NES附件附着在结构的不同位置条件下的外激励响应,研究了NES对结构的振动抑制作用。此外,还研究了不同质量的NES附件在不同位置时结构的外激励响应,得到了NES附加质量对减振效果的影响。从结果可以看到,NES附件可以减弱X型桁架在瞬态激励作用下的响应,且当NES附件的质量增加时,系统的振动振幅下降更快,NES附件的能源消耗效率更高。同时还对比了NES被动减振和线性刚度阻尼减振器(TMD)的减振效果。结果表明,在附加NES的结构中,在激励发生后的5 s左右时,结构振幅的衰减就达到了可观的程度,振幅下降的趋势更为陡峭,体现了NES优于线性刚度阻尼减振的良好减振效果。并通过实验验证了不同质量的NES附件的衰减效果,在梁的自由端施加相同的位移激励幅值(15 mm),在此情况下,NES附件的质量越大,悬臂梁结构的瞬态响应衰减效率越高。实验结果与理论计算结果吻合较好。     

大尺度刚柔组合飞艇结构的静动态力学性能分析

刚柔组合体的大变形行为和复杂连接接触给飞艇大尺度结构的力学分析、设计和制造带来了挑战。该文选择德国先进的Zeppelin NT飞艇作为研究对象,飞艇结构由内部骨架与外部蒙皮连接而成,是典型的刚柔组合体结构。飞艇骨架的主要结构单元为桁架梁,若采用精细化模型,建模工作量大,因此通过对代表性桁架梁进行精细化分析,得出梁的截面力学参数,建立了等效简化梁模型,使得计算成本大为降低。为了验证有限元方法对柔性结构模态分析的适用性,推导了无限长圆柱形膜结构的二维振动模态频率理论解,并与有限元模拟得到的数值结果进行比较,两者误差较小。将蒙皮振动引起周围空气运动的附加质量引入有限元分析模型,得到蒙皮与骨架结构合理的模态振动频率。该文建立了大尺度刚柔组合飞艇结构的力学分析方法,并验证了方法的可行性。     

计入热梯度的圆环结构热致振动分析

大型空间可展开结构通常是由梁、环等组成的周期性连续体结构,当进出地球阴影时受到热冲击而导致热致结构振动。针对支撑天线反射面的环形桁架结构,基于等效的空间圆环力学模型研究热致振动问题。建立热-结构耦合作用模型,采用加权余量法获得近似解。通过Routh-Hurwitz判据,获得太阳辐射引起的热致振动稳定域。采用Fourier温度单元与结构有限元结合的方法对圆环的热冲击响应进行了数值仿真和验证。     

网架式天线环状支撑桁架结构连续体降阶模型研究EI北大核心CSCD

根据环状支撑桁架结构组成特点描述了环状桁架单元,给出了变形假设条件,并基于梁模型得到了环状桁架等效多边形结构。计算了等效多边形单元及其对应外接圆环单元的动能和应变能,利用能量等效原理分别推导了等效多边形结构和其外接圆环结构的弹性模量与密度之间的关系表达式,从而计算得到了两者频率比表达式,综合利用有限元和理论方法对比了等效多边形结构和对应圆环结构的低阶振型和频率。研究结果表明,当单元数目大于30后,采用连续体降阶圆环模型简化等效多边形结构对环状支撑桁架结构进行动力学分析是合理的。     

计入关节摩擦的空间桁架结构动力学建模及共振分析

关节非线性对大型可展开空间桁架结构整体动力学特性有着重要影响。将关节模拟为具有六个方向刚度且其中任意方向可含有非线性特性的弹簧系统,研究了空间桁架结构非线性动力学建模与共振分析方法。采用双线性滞回模型模拟关节的摩擦特性,基于描述函数法得到了关节等效刚度和等效阻尼的解析表达式。在对两端含非线性关节的桁架构件进行动力学缩聚的基础上,建立了桁架结构在频域下的整体缩聚动力学模型,并采用NewtonRaphson迭代方法进行频域响应求解。通过数值算例将本文方法的计算结果与有限元分析结果进行比较,验证了本文方法的准确性和高效性。     

空间站柔性太阳翼热诱发振动分析

柔性太阳翼随空间站在轨运行时会受到周期性的热载荷作用,为研究热载荷对柔性太阳翼的影响,采用热-结构非耦合分析方法对柔性太阳翼进行了热诱发振动分析。提出了等效位移法,按照节点位移等效原则计算柔性太阳翼有限元模型各节点的等效温度载荷,再以该载荷为激励计算柔性太阳翼的动态响应。通过自编的Python程序实现等效温度载荷计算过程中的数据处理,以及热诱发振动分析流程中的有限元前后处理。通过与理论解和数值解作对比,验证了基于等效位移法求解等效温度载荷并用于非耦合热诱发振动分析的方法的准确性。通过对柔性太阳翼的热诱发振动分析,得到了柔性太阳翼的动态响应数据,发现了柔性太阳翼出地球阴影区时的刚柔耦合情况。分析结果可以为柔性太阳翼的设计和改进以及在轨的安全性、可靠性的评估提供参考。     

全复合材料桁架扭转刚度分析

为了解决全复合材料桁架扭转刚度缺少实验外有效表征手段的问题,首先,基于均匀化思想,依据单胞剪切刚度相等原则,将全复合材料桁架等效为闭口薄壁梁,推导其等效扭转刚度;然后提出位移转换法并测量桁架转角,对全复合材料桁架扭转刚度进行了实验研究;最后,在梁单元桁架模型中嵌入精细化接头模型,对全复合材料桁架扭转刚度进行了仿真分析。结果表明:等效及仿真结果与实验值基本吻合,等效分析方法能够有效预测全复合材料桁架的扭转刚度,桁架仿真模型具有一定的工程实用性;实验方案可靠,所提出的位移转换法能够解决小转角测量相对误差较大的问题。     

周期胞元平面桁架结构等效动力学分析

基于能量等效研究了周期胞元构成的平面桁架结构等效动力学建模问题。通过相邻胞元应变协调条件,将胞元的应变场阶次降阶为Timoshenko梁对应的应变场阶次。根据周期胞元的中心位移,获得胞元应变能与动能,进而利用Hamilton原理得到平面桁架结构等效连续体动力学方程。基于等效连续体模型和有限元模型,对周期胞元桁架结构进行了固有特性分析,验证了等效连续体模型的正确性和精度。     

大扁平比胎侧解析刚度建模及轮胎动力学分析EI北大核心CSCD

针对重载轮胎大扁平比结构建模问题,从动力学建模、实验模态分析、结构参数辨识等方面,基于解析弹性基础的欧拉梁模型,对重载轮胎的柔性胎体和大扁平比胎侧曲梁的低频动力学特性开展研究,建立了考虑充气预紧力的欧拉梁胎体模型,利用实验模态方法,探究了不同充气压力下的柔性胎体振动特性;考虑胎侧曲梁预紧力弦效应和结构弯曲效应,建立了大扁平比胎侧曲梁解析刚度模型;基于模态测试结果,进行柔性胎体与解析胎侧结构参数辨识。研究结果表明:在0~180 Hz频率范围内,重载轮胎以结构周向弯曲振动为主,可利用基于弹性基础的柔性梁模型表征;大扁平比胎侧曲梁的解析刚度与胎侧的几何、结构和充气压力参数直接相关;轮胎充气压力影响柔性胎体梁的轴向预紧力和胎侧的弦刚度,进而影响轮胎弯曲振动特性。     

空间桁架梁固有振动的能量变分解析解

目前人们对空间桁架梁的振动特性研究得较少,该文首先采用Timoshenko梁的连续化模型来模拟空间桁架梁,推导得到了空间桁架梁的等代抗弯刚度和等代抗剪刚度,并采用能量变分法对空间桁架梁的固有振动进行分析,给出空间桁架梁的竖向振动频率和振型的解析解。然后采用有限元软件ANSYS对几种不同算例进行模拟,通过模态分析得到空间桁架梁的频率与振型。将能量变分法求得的频率解析解与有限元分析求得的频率数值解进行对比,结果基本上是一致的,将两种方法得到的振型对比,结果吻合良好。该文所提出的能量变分解析解可供空间桁架梁的工程设计参考。     

基于自适应RBF模糊神经网络的旋转柔性铰接梁的振动控制

由柔性关节连接中心刚体和挠性附件的刚柔耦合系统广泛应用于卫星太阳能帆板、空间机器人等领域中,在调姿或者外部扰动带来振动时,将影响系统的稳定性和指向精度,对带有铰接结构的柔性梁的影响更甚。设计并建立了带有柔性关节（谐波齿轮）的旋转柔性铰接梁实验平台,进行了基于压电传感器测量信号的振动频响特性分析,分别采用PD控制和自适应RBF模糊神经网络控制算法,进行了基于电机驱动的位置设定点弯曲振动的主动控制研究。实验比较结果验证设计的自适应RBF模糊神经网络控制算法能够快速抑制振动。

      

空间站大柔性太阳电池翼驱动装置的滑模伺服控制

针对空间站大柔性太阳电池翼高稳定对日跟踪驱动控制问题,提出了一种带运动规划和振动抑制的非线性快速终端滑模伺服控制方案。推导了太阳电池翼驱动状态方程、永磁同步电机动力学模型,同时考虑驱动装置传动间隙、静/动摩擦力矩切换等非线性传动特性,在动力学建模基础上设计高次样条运动规划、位置环积分分离调节器、速度环快速终端滑模变结构调节器的组合控制系统。通过对太阳电池翼对日跟踪过程的仿真校验,表明设计的控制方案可实现大惯量、超低频太阳电池翼较高的驱动速度稳定度和较好的跟踪精度。     

智能桁架结构最优振动控制与作动器优化配置

研究了智能桁架结构最优振动控制和作动器的优化配置问题。首先采用有限元方法,根据Hamilton原理推导了智能桁架结构的机电耦合动力学方程,根据线性二次型最优控制理论,推导了结构振动控制的数学模型,通过最小化性能泛函,求解黎卡提矩阵代数方程确定了最优控制输入。然后通过对最优控制性能指标函数的修正,得到了与初始状态无关的性能指标,以修正的性能指标为目标函数,应用模拟退火算法对作动器位置进行了优化配置。最后给出了空间智能桁架结构振动控制算例验证建模过程和算法。算例结果表明,通过最优振动控制可以使结构振动快速衰减,达到振动抑制的效果,而且通过模拟退火算法可以确定最佳的作动器布置方式。     

单斜面索拱支承曲梁人行桥人致振动控制研究

进行了一种单斜面索拱支承曲梁人行桥的人致振动控制研究。在人行桥的初始状态及静动力特性基础上,模拟了随机人群荷载作用下人行桥的振动响应,参数化地研究了调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper,TMD)的减振作用,考虑了TMD不同质量比、刚度、阻尼参数以及布置方式的影响。在TMD装置安装前后对人行桥进行实地动力测试,测试了结构减振前后的模态特性以及在单人、多人和人群荷载工况下的振动响应,讨论了TMD装置对该类型人行桥的减振效果。结果表明:减振后结构关键模态阻尼增大为减振前的4.14倍;单人步行和跑动工况下,通过设置TMD,结构加速度峰值下降31.1%～55.9%,加速度均方根下降36.4%～52.0%;多种人群步行工况下,结构竖向加速度峰值最大为0.41 m/s~2。研究结果表明单斜面索拱支承曲梁人行桥刚度较柔,TMD对控制该类型人行桥结构人致振动具有很好的效果。     

带有移动末端执行器的柔性机械臂的动力学分析

为了分析带有移动末端执行器的柔性机械臂的振动特性,将该系统建模成一个带有移动质量的在竖向平面内作伸缩和旋转运动的柔性悬臂梁。为了方便研究,引入了两个坐标系:随悬臂梁旋转的局部坐标系和固定不动的整体坐标系;结构在局部坐标系下的物理量转化到整体坐标系中,并给出总动能和总势能,利用拉格朗日方程和假设模态法导出了结构的动力学方程;当机械臂以匀速旋转时,系统动力学方程为线性;当机械臂变速旋转时,系统动力学方程为非线性;通过数值算例分析了机械臂和移动末端执行器在不同运动状态下的动力响应;此外还讨论了移动末端执行器和机械臂间的摩擦力对机械臂振动特性的影响。所得结论为相关机器人及其装备的设计提供了理论依据。     

双金属复合翅片管振动特性的研究

双金属复合翅片管是一种高效传热元件,容易发生流体诱导振动破坏,对其进行振动模态理论分析具有重要的工程指导意义。针对双金属复合翅片管的结构特征,将其简化为串、并联刚度系统,采用组合截面等效弯曲刚度、等效扭转刚度和等效抗拉压刚度,并结合等效质量和等效转动惯量的方法,对其弯曲、扭转和轴向振动模态进行理论解析。为了验证理论分析方法的准确性,对双金属复合翅片管的振动模态进行了实验测试和有限元分析。研究了翅片几何参数对双金属复合翅片管振动频率的影响规律。结果表明,对于矩形翅片形式的钢铝双金属翅片管,其弯曲、扭转和轴向振动频率均随翅片高度和翅片厚度的增大而减小,随翅片间距的增大而增大。