环形桁架结构动力学等效建模与非线性振动研究

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空间天线结构的发展越来越趋于大型化和柔性化,大型可展开环形桁架结构是一种较为理想的结构形式,近年来应用广泛。然而大型环形桁架具有柔性和非线性特性,在空间环境激励下容易产生复杂的动力学行为,而且振动难以衰减,有必要对其进行动力学研究。对于大型复杂结构,有限元方法存在建模复杂、自由度高等缺点,本文采用连续体等效的方法,建立了环形桁架的等效动力学模型,研究了结构的固有特性和动力学响应,对环形桁架结构的动力学研究和结构设计有较重要的理论意义和实际价值。本文首先不考虑桁架中连接结构的柔性,推导了结构的等效环形梁模型。基于平截面假定,推导了桁架结构周期单元用其中心处的位移和应变近似表示的位移场表达式,以此得到了应变能和动能的表达式,基于能量等效原理,得到了周期单元等效梁的弹性和惯性矩阵。然后建立了环形桁架的等效环形梁结构的有限元模型,选取算例,通过与原结构有限元模型的固有频率和模态结果对比验证了等效方法的有效性,结果表明等效模型具有较高的精度。然后同时考虑环形桁架中铰链的质量和柔性,对环形桁架结构进行了动力学等效建模。首先将结构周期单元中的杆件与其两端的铰链考虑为一个混合构件,通过能量等效将其等效为一个混合梁单元,随后即可以利用刚接环形桁架结构的等效方法进行进一步的等效,得到等效环形梁结构。采用描述函数法将铰链的滞回曲线形式的非线性恢复力等效为了线性形式。通过算例验证了柔性连接环形桁架结构等效方法的有效性,等效模型具有可靠的精度。最后对等效环形梁简化的模型进行了动力学研究,只考虑环形多梁结构在其所在平面内的振动。并在结构中梁的连接处引入非线性铰链,研究了铰接环形多梁结构的非线性振动。采用全局模态法,推导了系统的特征方程,证明了全局模态的正交性。随后采用全局模态进行离散,推导了系统离散的动力学方程。选取算例,通过结构固有频率和模态结果的比较,验证了全局模态法的有效性。最后进行了参数分析,研究了结构中的参数,包括外激励参数和铰链参数对系统固有特性和动力学响应的影响。本文的建模方法和动力学模型可以在低自由度的情况下实现高精度,适用于结构的实时控制,结构参数分析的结果为结构的优化设计和振动控制提供了有价值的参考。
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