航天器空间桁架结构的振动特性研究

摘要

航天器工作时,内部高速旋转的机构会产生扰动,这种扰动在航天器中传播将引起航天器结构的中高频振动,作为航天器一部分的桁架结构也会受影响并产生振动,进而会影响与桁架相连的仪器设备的正常工作。在进行振动特性分析时,传统的分析方法在中高频分析存在缺点和不足。本论文以航天器空间桁架结构为研究对象,基于行波方法建立桁架结构的力学模型,分析空间桁架结构的中高频振动,并在已得桁架结构行波模型基础上进行功率流分析,研究桁架结构内能量传播、能量损耗,为桁架结构中高振动控制提供理论基础。
　　首先,以平面梁(欧拉-伯努利梁)的波动方程为基础,考虑桁架结构每个结点的力平衡条件及变形协调条件,建立平面桁架结构的行波动力学模型。分别对平面三单元桁架和平面八单元桁架结构进行数值仿真,将得到的行波解与同种状况下得到的有限元解进行对比分析,结果表明在中高频段行波解比有限元解更精确。
　　其次,以NASA太空试验桁架简化的一字型三角形桁架结构为工程背景,选择空间两跨桁架结构作为研究对象,以空间梁的波动方程为基础建立行波力学模型,据此得到结构任意点任意频率下的行波解。对空间桁架结构进行数值仿真,得到空间桁架结构在外激励下的振动特性,进一步证明行波法更能准确地得到全频域内振动响应
　　最后,以桁架结构行波力学模型为基础,对桁架结构进行功率流分析,在功率流分析中引入波动思想,用波模式表示单元功率流和结点功率流。进一步给出轴向运动、弯曲运动和扭转运动对应的单元功率矩阵。同时分析了阻尼对单元和结点能量损耗影响,结果表明提高结构阻尼可以增大能量损耗。
　　由以上研究和仿真结果可得,行波方法能准确有效地计算空间桁架结构的振动响应,并且在中高频段行波解比有限元解更准确,行波分析法能够在全频域内分析桁架结构的振动特性。对桁架结构行波模型进行功率流分析,研究桁架结构内能量损耗情况。本论文桁架结构行波方法研究为航天器振动控制提供理论基础。

目录

航天器空间桁架结构的振动特性研究

STUDY ON VIBRATION CHARACTERISTIC FOR SPACE TRUSS STRUCTURE OF SPACECRAFT

摘 要

Abstract

目 录

绪 论

课题研究背景及目的意义

国内外研究现状

结构振动建模方法研究现状

1.2.2 功率流法研究现状

本课题主要研究内容

平面桁架结构行波力学建模与振动特性分析

平面桁架结构单元力学模型

平面三单元桁架结构行波模型

平面八单元桁架行波模型

平面桁架结构行波分析数值分析

平面三单元桁架数值算例

平面八单元桁架数值算例

本章小结

空间桁架结构行波力学建模与振动特性分析

空间桁架结构单元力学模型

空间两跨桁架结构行波模型

空间桁架结构行波分析数值分析

本章小结

基于功率流法的行波模型分析

结构功率流

单元功率流

结点功率流

平面桁架结构功率流数值分析

平面三单元桁架结构功率流分析数值算例

平面八单元桁架结构功率流分析数值算例

空间两跨桁架结构的功率流数值分析

本章小结

结论与展望

参考文献

附 录

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致 谢