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《哈尔滨工业大学》 2010年
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包带连接建模与力学特性研究

白绍竣  
【摘要】: 包带连接在航天工程当中具有广泛的应用,主要的功能是实现卫星与火箭的连接与分离。包带连接工作在卫星的发射阶段,发射阶段的动力学环境非常恶劣。包带连接对整体星箭系统的动力学特性具有重要的影响,在进行飞行器建模时需要给予充分的考虑,但目前关于包带连接的研究尚不完善。本文通过直接建模、试验和参数识别的方法对包带连接进行了深入全面的研究。 首先研究了接触力学基本理论,建立了包带连接的三维有限单元模型,对预紧力加载工况和轴向拉伸工况进行了仿真,分析了包带连接部件的变形、应力分布、接触力及摩擦力分布。为包带连接的设计改进和加载工艺改进提供了参考。 包带连接工作过程中,主要涉及三种接触面,即包带与卡块之间的接触面(S-V面)、卡块与连接环之间的接触面(V-R面)和连接环与连接之间的接触面(R-R面)。本文对三种接触面上的作用力和预紧力以及它们之间的关系进行了全面分析,在此基础上得到了包带连接的分析模型,其中考虑了包带的刚度、卡块的刚度、连接环的刚度。 将包带模型列入了整体结构的虚功方程,在梁单元的基础上推导了包带模型的有限元列式,将V-R面和R-R面上的接触力表示为单元节点位移的函数,并进一步得到接触力的等效节点载荷向量,实现了与有限单元法的融合。对于含有包带连接的结构的动力学方程为非线性微分方程,可以采用Newmark直接积分法求解。为了体现包带预紧力对包带连接动力学特性的影响,对于一个给定的预紧力,首先计算该预紧力引起的结构位移,然后通过一次坐标变换将变形后的构型作为动力学计算的初始构型。 提出了一种适用于大型结构连接部件非线性参数识别的方法,该方法利用了非线性模态理论、特征值摄动理论和描述函数理论。首先采用描述函数方法计算非线性部分的广义准线性矩阵,而后将广义准线性矩阵看作隐含线性系统的摄动,再结合特征值摄动理论得到识别方程。识别过程包括两个步骤,即基于小量级试验的线性参数识别和基于大量级试验的非线性参数识别。另外,针对实际工程中非线性自由度的响应往往不能全部测量的问题,提出了利用测量自由度的响应估计非线性自由响应的方法。最后,利用该方法对包带连接进行了参数识别。 参照标准接口的包带,设计了一个包带连接实物模型,并进行了一系列试验。为了排除部件有限元模型误差的影响,对单个部件进行了锤击试验,根据试验结果采用逆特征值分析方法对部件模型进行了修正。对整体结构进行了一系列不同预紧力条件和不同振动量级的正弦扫频试验。将试验结果和计算结果进行了对比。计算和试验结果均表明,随着振动幅值的增大,结构的共振频率明显降低,表现出软刚度特性;包带预紧力对整体结构的动力学特性具有重要的影响,包带预紧力越小非线性现象越明显。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:V421.7

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