刚-柔-热耦合多体系统动力学研究

摘要

考虑热效应的刚-柔-热耦合的动力学问题具有一定的工程应用背景。在机械制造、航空、航天等众多领域中。在瞬时热载荷的作用下，柔性部件会产生热变形，由于姿态运动和变形的相互耦合作用，热变形还会对姿态运动产生影响。此外，在热载荷作用下，热变形和姿态角的改变对温度场辐射角的影响也不可忽略，必须同时考虑刚体运动、弹性变形和温度场的耦合，因此，考虑热效应的刚-柔-热耦合动力学问题越来越受到工程界的重视，建立精确的有限元模型对于柔性体的刚柔耦合动力学理论的发展和工程实际问题的解决具有重要意义。本文研究柔性多体系统刚-柔-热耦合动力学特性。以三种航天器为研究对象，基于柔性多体系统动力学理论，考虑了柔性附件弹性变形和姿态角的改变引起的热辐射边界条件的变化，建立了中心刚体和柔性附件多体系统的刚-柔-热耦合的动力学方程。通过对热载荷作用下航天器多体系统的数值仿真研究了各特征参数对于柔性多体系统动力学特性的影响，揭示了引起热颤振和热失稳的根本原因。
　　第一章对刚-柔耦合动力学和热耦合动力学的前人工作进行总结，提出了本论文的研究目标。
　　第二章对哈勃天文望远镜的多体系统的刚-柔-热耦合特性进行研究。基于柔性多体系统动力学理论，考虑了柔性附件弹性变形引起的热辐射边界条件的变化，建立了中心刚体和太阳能毯柔性附件多体系统的刚-柔-热耦合的动力学方程。通过对热载荷作用下哈勃天文望远镜多体系统的数值仿真研究了各特征参数对于柔性附件热颤振的影响。
　　第三章对卫星和太阳帆板多体系统的刚-柔-热耦合动力学进行研究。考虑热辐射强度与卫星姿态角和帆板角变形的耦合关系，建立了热传导变分方程，用虚功原理建立了卫星和太阳帆板的动力学变分方程，用有限单元法离散，建立刚-柔-热耦合的多体系统的动力学方程。通过热载荷作用下卫星-帆板多体系统的数值仿真研究刚-柔-热耦合特性，揭示了热颤振和高速转动时系统失稳的根本原因。
　　第四章对热辐射作用下旋转航天器和柔性天线的刚-柔-热耦合动力学性质进行研究。在建立刚-柔-热耦合动力学模型的基础上，综合研究热辐射角、阻尼系数和角速度对热颤振和系统失稳的影响，得到稳定范围。
　　第五章对全文的研究工作进行总结。

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第一章 绪论

1.1本文研究的工程背景和意义

1.2无大范围运动的热耦合动力学研究进展

1.3柔性多体系统刚柔耦合动力学的研究进展

1.4前人工作的不足之处

1.5本文的主要研究任务及内容安排

第二章 哈勃天文望远镜刚-柔-热耦合动力学研究

2.1引言

2.2平面梁的刚-柔耦合动力学方程

2.3平面梁的温度场分析

2.4哈勃天文望远镜(HST)刚柔热耦合多体系统的动力学分析

2.5本章小结

第三章 卫星-太阳能帆板的刚-柔-热耦合动力学研究

3.1引言

3.2平面板的刚-柔耦合动力学方程

3.3太阳能帆板的温度场分析

3.4平面板的稳定性分析

3.5本章小结

第四章 尤利西斯号自旋航天器的刚-柔-热耦合动力学研究

4.1引言

4.2空间梁的刚-柔耦合动力学方程

4.3空间梁的温度场分析

4.4尤利西斯号航天器刚-柔-热耦合多体系统的动力学分析

4.5本章小结

第五章 全文总结

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文

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