空间大范围运动柔性体动力响应分析平台研究

发布时间：2017-09-18 13:13

  本文关键词：空间大范围运动柔性体动力响应分析平台研究

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【摘要】：挠性航天器越来越广泛地应用于现代航天领域中，挠性体的空间大范围运动属于柔性多体系统动力学的研究范畴。柔性多体系统动力学是多体系统动力学中的一类特殊问题，其系统中柔性体的变形与运动相互耦合，使得预示系统的响应变得更加复杂，需要建立合理的刚柔耦合动力学模型。本文重点研究空间大范围运动柔性体的变形和运动之间的耦合关系，研究对象为柔性实体结构和柔性梁结构，并最后建立解决这类问题的分析平台。 混合坐标法是柔性多体系统动力学建模最常用的方法之一，柔性体的变形在随柔性体运动的坐标系中描述，属于一种零次近似耦合模型，该方法能够高效地解决柔性体在小变形情况下的柔性多体系统动力学问题。然而，随着技术的不断发展，工程中的柔性多体系统更加复杂，柔性体在很多情况下发生大变形，应用小变形理论的传统混合坐标法无法准确预测系统的响应，甚至出现完全错误的结果。1987年，Kane[1]在研究悬臂梁的高速旋转问题时发现，当旋转角速度超过某个临界值时，采用零次近似耦合模型的方法得到了错误发散的结果，至此科研工作者开始认识到零次近似耦合模型的缺陷，并深入地研究符合实际的理论模型。显然，一个理论模型好坏的首要标准是可靠性，一个不合理的理论模型是无法应用于工程当中的，为此本文的研究目标是建立更加可靠的刚柔耦合动力学模型。 本文的建模方法基于传统的混合坐标法，依然采用三类参考坐标系：建立动力学方程的惯性坐标系、随柔性体运动的随动坐标系和单元变换坐标系。通过随动坐标系将柔性体的运动和变形分离，通过单元变换坐标系将单元坐标系中的位形转换到随动坐标系中，最后在惯性坐标系下通过Kane方程建立系统的动力学方程。有别于传统的混合坐标法，本文采用非线性应变-位移理论对柔性体的位形进行描述，因此保留了方程中的高阶次的刚柔耦合项，从而能够解决柔性多体系统产生大变形情况下的响应计算问题。本文研究对象包括柔性实体和柔性梁，二者分别使用八节点六面体等参元和欧拉梁单元进行离散，通过非线性有限元的虚功原理建立了柔性体的平衡方程，，最后使用中心差分法等数值算法求解方程，从而得到系统的动力响应。
【关键词】：刚柔耦合 柔性多体系统 数值仿真 非线性有限元
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V414
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-17
• 1.1 本文研究的背景和意义11-12
• 1.2 大范围运动柔性体动力学分析的发展历史和研究现状12-16
• 1.2.1 发展历史12-14
• 1.2.2 研究现状14-16
• 1.3 本文的主要工作16-17
• 第2章 大范围运动柔性体动力学建模理论17-29
• 2.1 引言17-18
• 2.2 大范围运动柔性体动力学模型18-23
• 2.2.1 柔性体任一点运动学描述18-20
• 2.2.2 系统的动力学方程20-23
• 2.3 求解动力学问题的数值算法23-27
• 2.3.1 子空间迭代法23-24
• 2.3.2 中心差分法24-26
• 2.3.3 Newmark-beta 法26-27
• 2.4 本章小结27-29
• 第3章 大范围运动柔性实体动力学分析29-45
• 3.1 引言29
• 3.2 大范围运动柔性实体动力学模型29-33
• 3.2.1 实体单元内任一点运动学描述29-31
• 3.2.2 八节点六面体等参元31-33
• 3.3 大范围运动柔性实体动力学方程33-39
• 3.3.1 应变和应力的度量33-35
• 3.3.2 动力学方程的建立35-37
• 3.3.3 动力学方程的有限元格式37-39
• 3.4 大范围运动柔性实体动力学分析39-44
• 3.4.1 模型描述39-41
• 3.4.2 高阶次应变位移关系的影响41-44
• 3.5 本章小结44-45
• 第4章 大范围运动柔性梁动力学分析45-61
• 4.1 引言45
• 4.2 大范围运动柔性梁动力学模型45-49
• 4.2.1 梁单元内任一点运动学描述45-47
• 4.2.2 欧拉梁单元47-49
• 4.3 大范围运动柔性梁动力学方程49-53
• 4.3.1 几何非线性动力学方程的 U.L.格式49-50
• 4.3.2 欧拉梁的几何非线性动力学方程50-53
• 4.4 大范围运动柔性梁动力学分析53-58
• 4.4.1 高阶次应变位移关系的影响53-56
• 4.4.2 分析平台的实现56-58
• 4.5 本章小结58-61
• 第5章 全文总结61-63
• 参考文献63-66
• 附录66-74
• 作者简介74-76
• 致谢76

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前8条

1 陈政清;;梁杆结构几何非线性有限元的数值实现方法[J];工程力学;2014年06期

2 蒋丽忠,洪嘉振;柔性多体系统产生动力刚化原因的研究[J];计算力学学报;1999年04期

3 蒋丽忠,洪嘉振;作大范围运动弹性梁的动力刚化分析[J];计算力学学报;1998年04期

4 洪嘉振，蒋丽忠;动力刚化与多体系统刚-柔耦合动力学[J];计算力学学报;1999年03期

5 洪嘉振,蒋丽忠;柔性多体系统刚-柔耦合动力学[J];力学进展;2000年01期

6 蒋丽忠,洪嘉振;作大运动弹性薄板中的几何非线性与耦合变形[J];力学学报;1999年02期

7 ;Nonlinear dynamic analysis on rigid-flexible coupling system of an elastic beam[J];Theoretical & Applied Mechanics Letters;2012年02期

8 陈政清,曾庆元,颜全胜;空间杆系结构大挠度问题内力分析的UL列式法[J];土木工程学报;1992年05期

本文编号：875737