曲梁和板殼結(jié)構多體系統(tǒng)剛-柔耦合動力學研究.pdf

1、在航空航天領域，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)的動力學性態(tài)越來越復雜，系統(tǒng)的剛-柔耦合效應也越來越顯著，需要引起工程界的重視。如衛(wèi)星天線、太陽帆板、風力發(fā)電機的槳葉等，在太陽輻射、風力和構件本身的慣性力等外界環(huán)境因素的綜合作用下，這些復雜構型柔性構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)構作為這些復雜結(jié)構多體系統(tǒng)中的常用部件，建立其多體系統(tǒng)的動力學模型對于準確預測現(xiàn)代工程中多體

2、系統(tǒng)的力學行為有重要的工程價值。
　　 為了解決曲梁和板殼結(jié)構多體系統(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的剛-柔耦合動力學建模方法，采用三類坐標系:慣性坐標系、浮動坐標系和曲線坐標系對柔性體上任意點的位形進行描述，用弧坐標取代笛卡爾坐標，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關系。在此基礎上考慮幾何非線性，從曲梁的格林應變關系式出發(fā)推導了變曲率曲梁的應變和位移關系式，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-柔耦合動力學模型。首次開展了柔性曲梁的剛-柔耦合動力學實驗，將曲梁重力擺的剛-柔耦合動力學仿真結(jié)果與實驗結(jié)果進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)動力學建模理論研究的基礎上進一步研究柱狀殼結(jié)構多

4、體系統(tǒng)的幾何非線性動力學建模方法。引入曲線坐標系描述柱狀殼結(jié)構的彈性變形，采用二維的殼單元進行離散，創(chuàng)新性地推導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于廣義坐標的導數(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-柔耦合動力學問題的不足，并

5、對殼單元應變計算的收斂性進行分析。
　　 進一步考慮了材料的各向異性，建立給定熱載荷作用下復合材料殼結(jié)構多體系統(tǒng)的幾何非線性動力學模型。研究了熱變形和幾何非線性效應對板殼結(jié)構多體系統(tǒng)剛-柔耦合動力學特性的影響。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)坐標和彈性坐標的精確關系式，提出了剛-柔-熱三者耦合的動力學建模方法