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航天器阻尼结构的若干动力学正问题和反问题研究

张静  
【摘要】: 为了提高航天器结构设计水平,降低航天结构全局或局部响应水平,本论文对航天器结构设计中所用到的阻尼结构模型以及分析和计算方法进行研究,建立了一套综合了大型阻尼结构的动力学分析(正问题)和动力学设计(反问题)的方法。这些算法涉及:大型非比例阻尼结构复特征值计算方法、阻尼子结构模型缩聚方法、基于频响函数的模型修改算法、含柔性连接的子结构模型综合以及基于频响函数的结构动态设计理论等。论文提出或改进了一些方法,并分析了这些算法在航天结构中的应用。主要内容如下: 针对航天器结构发射阶段或在轨阶段的动力学要求,分析了适用于航天结构的常见局部阻尼形式。其中,离散式阻尼一般用在结构连接处,因此在动力学建模时多被等效成弹簧并联阻尼的形式;而分布式阻尼则连续分布在结构局部,在进行动力学分析时需要将非线性阻尼线性化处理。并且以金属橡胶阻尼材料和粘弹性约束阻尼结构为代表研究了离散式阻尼形式和分布型阻尼形式的阻尼建模方法。 针对大型阻尼结构的动力学分析和设计的需求,对大型非比例阻尼结构复模态计算方法进行了全面的研究。通过对原有算法的完善和改进,发展出完整的适于用大型阻尼结构的结构动力学特征值计算方法。该算法首先通过分块三角分解将非比例阻尼结构动力学的特征问题转化成标准的特征问题,进而,算法采用复矩阵的Lanczos算法将求解规模降低到需要的阶数,再使用带移位的双重步QR算法计算经过转化的上Hessenberg型实矩阵的全部复特征值和特征向量。该算法适合于具有各种不同的阻尼形式的结构动力学问题,并且具有高效稳定的特点。 为了适应大型航天结构动力学分析和设计的需要,发展了一种阻尼子结构动力学模型缩聚方法。首先,建立子结构的约束模态集和静约束模态集并以此建立坐标变换式得到半解耦的动力学方程;其次,利用约束模态的模态有效质量矩阵将子结构缩聚在选定自由度的物理坐标上,由于模态有效质量随着约束模态频率的增大而迅速收敛,因此只要保留很少的几个模态就可计算出精度较高的结果。该算法利用模态矩阵进行坐标变换,但是缩聚后的系统却只包含选定自由度的物理坐标,因此既能保证精度又能保持物理意义的完整。 研究了基于频响函数的结构动力学模型修正算法。首先提出一种改进的矩阵型频响函数模型修改方法,改进后的算法可以用于含柔性连接的子结构的综合,方法是将柔性连接看做对非耦联结构的修改。利用改进的频响函数模型修改算法对子结构进行综合,系统方程中各子结构与连接的动力学关系明晰,便于对其进行修改和重分析,并且该算法将动态子结构方法与结构模型修改与重分析结合在一起,最后,通过基于频响函数的灵敏度分析得到完整的结构分析与设计算法流程。 根据某气象卫星提出的对关键部位的静力学和动力学要求,研究了一种可同时改善结构热变形和抑制高频振动的卫星结构设计方案,并通过分析结构静力学和动力学特性的变化,研究了该设计方案的静变形和动响应抑制机理和效果。此方案的主要思想是:在主要的静力学和动力学扰动的传递路径上使用阻尼柔性连接装置进行连接,利用阻尼柔性连接装置的高柔性释放结构不同部位之间的热应力,利用阻尼柔性连接装置的高阻尼抑制结构之间的动力学传递,从而保证了关键部位的静力学和动力学要求。


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