大型空间结构动力学等效建模与振动控制研究

发布时间：2017-08-09 08:38

  本文关键词：大型空间结构动力学等效建模与振动控制研究

  更多相关文章： 大型环形空间结构 动力学建模 充气薄膜 扁壳理论 模型降阶 分布参数系统 振动控制

【摘要】：随着航天技术的发展,航天器结构日益呈现出大型化和轻量化的特点。为确保大型空间结构具有良好的动力学品质,达到航天任务高精度、高可靠性要求,必须在其设计阶段进行有效的动力学分析。此外,大型空间结构不可避免地受到太阳辐射、航天器姿态调整、空间碎片冲击等干扰,激发出的动力学响应很难自行衰减。本文针对大型环形可展开空间结构的等效动力学建模及其振动控制问题进行研究。论文主要内容如下:(1)研究了环形桁架结构模型降阶以及连续体等效问题。对于组成环形桁架结构的平面桁架单元,同时考虑其面内和面外变形,基于能量等效原理得到了各向异性等效梁模型的刚度和质量参数及单元刚度矩阵和单元质量矩阵,并对等效后的一维环形梁结构进行了有限元分析。在忽略等效梁模型各向异性的情况下,将原环形桁架结构简化为一个标准的弹性圆环。数值算例验证了等效方法的正确性及采用弹性圆环简化模型的可行性。(2)采用能量等效方法,将大型可展索网天线中的三向抛物面索网结构等效为具有均匀张力的各向同性抛物面薄膜,给出了等效薄膜刚度和质量参数的计算方法。通过对抛物面索网结构与等效薄膜固有振动的对比和分析,验证了该等效方法的正确性。(3)基于Donnell非线性薄壳理论,采用Hamilton原理推导了充气抛物面薄膜的非线性振动方程,并根据薄壳振动的Donnell简化理论及扁壳近似理论对其进行了简化。通过线性化充气抛物面薄膜的振动方程,获得了近似解析解。考虑边界固定的情况,推导了充气抛物面薄膜的频率方程和振型函数,并与有限元模型进行了对比验证。(4)针对由充气抛物面薄膜和充气圆环组成的反射器结构,根据薄膜和圆环之间的位移连续性条件及力平衡条件,推导了自由状态下充气反射器结构的频率方程和振型函数,并与有限元模型进行了对比验证。(5)针对大型柔性空间结构分布参数模型的振动控制问题,采用谱分解方法设计了分布参数系统的线性二次型最优控制器。以一个具有弱阻尼的圆环结构的面内振动控制为例,直接利用圆环的偏微分运动方程设计最优控制器,揭示了该方法在降低控制溢出方面的有效性。
【关键词】：大型环形空间结构 动力学建模 充气薄膜 扁壳理论 模型降阶 分布参数系统 振动控制
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V414
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-16
• 第一章 绪论16-32
• 1.1 论文选题的意义和目的16-17
• 1.2 大型空间结构简介17-23
• 1.2.1 平板阵列结构17-18
• 1.2.2 桁架及网架结构18-21
• 1.2.3 充气薄膜结构21-23
• 1.3 大型空间结构动力学与控制研究现状23-29
• 1.3.1 动力学建模方面23-28
• 1.3.2 振动主动控制方面28-29
• 1.4 本文研究内容与结构安排29-32
• 第二章 空间环形桁架结构的动力学等效建模32-49
• 2.1 周期桁架单元的连续体等效32-38
• 2.1.1 周期桁架单元运动学32-34
• 2.1.2 基于能量等效的周期桁架单元连续体等效34-38
• 2.2 环形桁架的等效环形梁模型38-39
• 2.3 环形桁架的圆环简化模型39-44
• 2.3.1 圆环简化模型的空间运动方程39-41
• 2.3.2 圆环简化模型的的固有振动特性41-44
• 2.4 数值算例44-48
• 2.5 本章小结48-49
• 第三章 空间抛物面索网结构的动力学等效建模49-64
• 3.1 抛物面索网结构的找形分析49-53
• 3.1.1 索网结构力密度法找形的基本原理50-52
• 3.1.2 基于等力密度法的抛物面索网结构找形分析52-53
• 3.2 抛物面索网结构动力分析的等效薄膜模型53-57
• 3.2.1 抛物面索网结构的等效薄膜模型53-54
• 3.2.2 抛物面薄膜能量的计算54-55
• 3.2.3 抛物面索网能量的计算55-56
• 3.2.4 索网与薄膜的动力学等效56-57
• 3.3 数值算例57-63
• 3.4 本章小结63-64
• 第四章 充气抛物面薄膜结构的动力学建模与分析64-90
• 4.1 充气抛物面薄膜的理想状态模型64-65
• 4.2 充气抛物面薄膜的非线性振动方程65-71
• 4.2.1 抛物面薄膜非线性振动方程的推导65-69
• 4.2.2 抛物面薄膜非线性振动方程的简化69-71
• 4.3 充气抛物面薄膜的线性振动71-79
• 4.3.1 抛物面薄膜线性振动方程71
• 4.3.2 抛物面薄膜线性振动方程的求解71-73
• 4.3.3 周边固定抛物面薄膜的固有振动特性73-74
• 4.3.4 数值算例74-79
• 4.4 充气抛物面薄膜反射器的动力特性分析79-89
• 4.4.1 充气抛物面薄膜反射器的简化力学模型79-80
• 4.4.2 薄膜与圆环之间的相互作用80-82
• 4.4.3 充气抛物面薄膜反射器的固有振动特性82-84
• 4.4.4 数值算例84-89
• 4.5 本章小结89-90
• 第五章 基于分布参数模型的大型空间结构振动最优控制90-105
• 5.1 分布参数控制系统的构成及其数学模型90-91
• 5.2 分布参数系统的线性二次型最优控制91-93
• 5.3 空间环形结构面内振动的最优控制93-104
• 5.3.1 固支圆环的面内振动方程93-95
• 5.3.2 圆环的状态空间模型95-97
• 5.3.3 圆环的最优控制97-98
• 5.3.4 数值算例98-104
• 5.4 本章小结104-105
• 第六章 总结与展望105-107
• 6.1 本文的主要工作与贡献105
• 6.2 未来工作展望105-107
• 参考文献107-117
• 致谢117-118
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文118-119
• 附录 抛物面薄膜线性振动方程(4.38)的求解119-121

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 张平,丁国刚;索网结构的弹塑性振动分析[J];建筑技术开发;2001年09期

2 蔡宏儒,余志祥,林宏图;自选参数动力松驰法在索网结构中的应用[J];四川建筑;2003年03期

3 韩大建,苏建华;一种确定预应力索网结构几何形状与索力的方法[J];工程力学;2005年03期

4 游桂模;姚谦峰;尚仁杰;吴转琴;周建锋;;柔性边界索网结构受力分析[J];常州工学院学报;2005年S1期

5 郑家树,余志祥;索网结构振动模态特性分析[J];西南交通大学学报;2005年01期

6 游桂模;姚谦峰;尚仁杰;吴转琴;周建锋;;柔性边界预应力索网结构设计与施工[J];施工技术;2006年03期

7 李仁佩;苏文章;武建华;于海祥;;基于新型索单元模型理论的索网结构初始形态分析及静力分析[J];重庆建筑;2006年Z1期

8 游桂模;姚谦峰;尚仁杰;吴转琴;周建锋;;柔性边界索网结构受力分析[J];钢结构;2006年03期

9 陈必磊;聂建国;;弹性边界支撑的索网有限元建模分析[J];建筑结构;2006年07期

10 陈海;毛伙南;郭金基;蔡铭;张开成;李小乐;雷鸣;;幕墙索网结构有限分析计算方法的研究[J];中山大学学报(自然科学版);2007年04期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 张其林;张莉;;索网结构初始及工作平衡状态的分析和跟踪[A];第八届空间结构学术会议论文集[C];1997年

2 王仕统;;任意荷载作用下索网的近似计算[A];第五届空间结构学术交流会论文集[C];1990年

3 马少华;肖炽;;椭圆形索网结构外环内力与变形的计算[A];第五届空间结构学术交流会论文集[C];1990年

4 曾华卿;;索网结构的最小二乘高斯配点法[A];第五届空间结构学术交流会论文集[C];1990年

5 高振锋;张其林;沈祖炎;;索网结构施工过程的跟踪分析和仿真分析方法[A];第七届空间结构学术会议论文集[C];1994年

6 孙宗光;;正交索网结构分析的直线索单元方法[A];第六届空间结构学术会议论文集[C];1996年

7 马剑;徐国彬;;索网结构的初始形状判定及静力分析[A];第八届全国结构工程学术会议论文集（第Ⅱ卷）[C];1999年

8 苏建华;韩大建;王勇;;索网结构形状判定的杆长修正法[A];计算机技术在工程建设中的应用——第十一届全国工程建设计算机应用学术会议论文集[C];2002年

9 肖建春;聂建国;马克俭;;桁拱支承索网结构模型的破坏试验[A];第三届全国现代结构工程学术研讨会论文集[C];2003年

10 张丽梅;陈务军;;索网结构平衡态弹性化与零应力态研究[A];第18届全国结构工程学术会议论文集第Ⅰ册[C];2009年

中国重要报纸全文数据库 前6条

1 盖爽;首例空中滑行索网“擎高”三十六米[N];建筑时报;2008年

2 广东建设报记者 韩庆文　许朝林;曲面索网安装如同“编花篮”[N];广东建设报;2013年

3 北京工业大学建筑工程学院教授、博士生导师，，中国钢结构协会空间结构分会秘书长 薛素铎 李雄彦;解析2012伦敦奥运场馆[N];中国建设报;2012年

4 记者 袁志勇;国家天文台与欧维姆签约世界最大单口径望远镜索网项目[N];科技日报;2013年

5 薛素铎　李雄彦;解析2012伦敦奥运场馆工程[N];中国建设报;2012年

6 沈祖炎　王烨华 李元齐 （中国工程院院士、同济大学教授 沈祖炎）;结构创新与优秀设计(六)[N];中国建设报;2013年

中国博士学位论文全文数据库 前7条

1 刘钰;大口径射电望远镜反射面支承机构研究[D];上海交通大学;2014年

2 刘福寿;大型空间结构动力学等效建模与振动控制研究[D];南京航空航天大学;2015年

3 刘望;星载大型索网天线结构非线性动力学建模及形面误差特性研究[D];国防科学技术大学;2013年

4 杜敬利;超大型天线馈源索支撑系统与索网主动主反射面的力学分析与优化设计[D];西安电子科技大学;2006年

5 杨东武;星载大型可展开索网天线结构设计与型面调整[D];西安电子科技大学;2010年

6 万红霞;索和膜结构形状确定理论研究[D];武汉理工大学;2004年

7 钱宏亮;FAST主动反射面支承结构理论与试验研究[D];哈尔滨工业大学;2007年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 李康业;大跨度索网结构索力计算与测量方法研究[D];华南理工大学;2012年

2 张怀虎;环形展开天线索网结构优化设计与分析[D];哈尔滨工业大学;2015年

3 吕庆;一种大型可展开网状天线的设计及热分析[D];西安电子科技大学;2014年

4 唐雅琼;索网—框架组合结构多源误差分析[D];西安电子科技大学;2014年

5 秦宝亮;基于压电作动器的大型空间索网结构动力学分析与振动控制[D];南京航空航天大学;2014年

6 谭谋;空间可展开结构调整组件的分析和设计[D];西安电子科技大学;2014年

7 刘升;空间双剪式铰天线设计与展开过程动力学分析[D];西安电子科技大学;2014年

8 孔维国;模块化可展天线的组网建模与优化设计[D];哈尔滨工业大学;2015年

9 张文龙;空间网状天线形面设计与静力分析[D];西安电子科技大学;2014年

10 李琴琴;大型索网结构网面形状优化设计[D];西安电子科技大学;2008年

本文编号：644405