粘弹性阻尼减振元件的动力学建模及工程应用

对于广泛应用于工程结构减振的阻尼材料,由于其阻尼特性随频率而改变,不能将阻尼力表示为正比于运动速度的简单关系,因而不便于使用商用有限元软件进行动力学分析.结合非粘性阻尼的等效算法和结构动力学模型的缩聚技术,提出了一种含粘弹性阻尼材料的减振元件的动力学建模方案.在比较准确表征阻尼材料频变特性的前提下,能够将减振元件方便、高效地加入到整体结构模型中,并且可以用常规的通用有限元程序进行动力学分析.文中的算例之一验证了缩聚后减振元件动刚度特性的精度.另一算例则表明该方法已经可以应用于框架式火箭一卫星减振适配器设计等具体的工程应用.     

空间站梦天实验舱整器动力学分析和试验研究

空间站研制过程中，获取准确的航天器主要动力学特性有重要意义，整器动力学特性测试是研制过程中一项必不可少的大型试验项目。针对空间站梦天实验舱整器动力学问题，通过建立螺栓—法兰局部连接结构的有限元模型，分析接触状态下刚度随外力的变化关系，分别计算拉压特性下的刚度量级，并采用子结构综合方法，依据部件级模态测试结果得到梦天实验舱整器的动力学特性。结果表明:将螺栓法兰连接刚度等效为双线性弹簧，结合子结构综合预示方法，梦天整器动力学特性的预示具有较高精度。通过连接结构的精细化建模和子结构综合预示，只需进行舱段级模态试验，节省了研制经费、缩短了研制周期，可为空间站及其他大型航天器的研制提供指导。     

基于有限元--离散元耦合的粒子阻尼减振研究

在侧挂构型发射任务中，中心承力筒与卫星直接连接，其动力学特性对卫星的振动响应有直接影响。首先分析中心承力筒的模态特性，据此完成粒子阻尼器的结构参数设计。随后，使用有限元--离散元耦合仿真方法，确定了阻尼器填充粒子的最佳直径和阻尼器最佳安装位置。仿真结果表明，该方案下星箭界面减振效果可达40%。最后，使用最优粒子阻尼参数开展水平激励实验。实验结果表明，与未安装粒子阻尼器相比，中心承力筒+粒子阻尼器组合体的减振效果可达35%以上，与仿真结果一致。     

点式连接航天器等效刚度模态分析方法

针对点式连接航天器受接触影响而产生的非线性特性,提出了利用线性等效刚度代替非线性刚度以计算点式连接航天器模态的分析方法。首先采用有限元软件对点式连接航天器的非线性刚度进行分析,并基于非线性振动和结构动力学的原理,建立了等效刚度的计算方法。将等效刚度代入广义弹簧单元,最终获得点式连接航天器的简化模型并分析其模态。模态分析结果与试验结果对比显示,相比于传统分析方法,基于等效刚度的简化模型精确地预测了点式连接航天器的模态,有利于提高点式连接航天器的动力学仿真分析精度。     

噪声激励下典型复合材料铆接结构的声固耦合分析

针对CVI工艺下复合材料典型铆接板,提出一种适合复杂模型动力学分析的建模方法:采用Bush和RBE2的组合单元模拟铆钉连接,将板间的弱非线性接触力转化为接触刚度,建立该复合材料铆接板的有限元模型。同时,基于有限元-间接边界元法推导了考虑接触力的声固耦合动力学方程,开展了该复合材料铆接板在随机噪声激励下的声固耦合分析,并探讨界面接触对声固耦合系统固有特性和动响应的影响。研究结果表明,界面接触模型比界面刚接模型更为准确;刚接模型会增大复合材料铆接板连接界面的局部刚度,使得结构的固有频率偏高,响应峰值向高频处移动;考虑接触对结构的加速度响应影响较大,对应力响应影响较小。     

复杂航天器结构火工冲击环境预示方法研究

针对复杂航天器结构在宽频、瞬态火工冲击载荷激励下其响应难以预示的问题，以某型复杂卫星结构为研究对象开展了火工冲击环境预示方法研究。首先，推导了基于加速度频响函数(FRF)的虚拟模态综合法(VMSS)的理论公式。对于复杂卫星结构各子系统动力学特性存在较大差异的特点，建立了有限元-统计能量分析（FE-SEA）混合模型，并进行响应计算，获得了加速度频响包络曲线及模态数曲线，为虚拟模态综合法的响应预示提供输入。然后，对复杂卫星结构推进舱底板和侧板的火工冲击响应进行了计算分析。最后，将计算结果与整星火工分离冲击试验结果对比发现两者基本保持一致。研究结果表明，联合FE-SEA混合建模技术和虚拟模态综合法能够对复杂卫星结构火工冲击环境进行较为精确地预示。     

模拟自由边界对卫星动力学特性的影响

为了研究高精度航天器微振动试验中模拟自由边界附加质量对卫星动力学特性的影响，建立考虑附加质量的卫星地面微振动试验模拟自由边界理论模型，与卫星结构动力学模型仿真结合，分析附加质量对卫星模态频率和频率响应的影响规律。在此基础上，以施加不同附加质量的卫星结构模拟试验件为实验对象，测试验证了附加质量对卫星结构动力学特性的影响。结果表明，附加质量对结构模态频率和频率响应产生明显影响，附加质量越大，对卫星动力学特性影响越大，且对频率响应峰值的影响更加突出。据此，提出附加质量应控制在卫星总质量的5%以内，以避免其在地面微振动试验中给卫星的动力学特性及微振动响应带来严重影响。     

卫星大挠性桁架结构振动抑制试验研究

研究大型挠性空间桁架结构(LFST)的振动抑制问题.基于LFST特性,设计一套空间桁架试验系统.针对LFST具有大挠性、低刚度和低阻尼等特性,设计并研制一种圆柱式剪切型粘弹性阻尼器,给出具有粘弹性阻尼器的桁架阻尼杆的动力学模型.分别利用有限元方法和试验分析方法,对空间桁架的模态频率、模态阻尼比以及瞬态激励响应进行仿真和试验分析.结果表明应用这种阻尼器,桁架结构系统的第一阶模态阻尼比从0.49%增大到13.1%,其他各阶模态阻尼比也都有所增加.     

非线性弹簧形态优化及可调节恒力装置设计

基于组合结构研究一种可调节恒力装置的设计方法，恒力装置由负刚度非线性弹簧和正刚度线性弹簧组合而成。采用B样条曲线描述非线性弹簧的形态，基于GA算法和非线性有限元法实现非线性弹簧的形态优化设计。根据恒力装置的工作原理，设计线性螺旋弹簧，并分析刚度/强度特性。组合结构的力学性能分析表明恒力装置可以实现输出恒力。为了实现自我保护、输出的恒力大小/方向可调，进行了恒力装置的部组件设计。本文的恒力装置设计方法为平面薄膜天线和太阳电池阵的工程研制提供了技术支撑。     

卫星结构的拓扑优化与灵敏度分析

在已知某卫星主承力结构的空间大小、约束及载荷条件的情况下，通过对一连续体进行拓扑优化得出主承力结构的最优结构形式。并在此基础上对卫星上十五个结构参数进行了灵敏度分析和尺寸优化，计算结果证明由连续体通过拓扑优化得到桁架结构的最优拓扑是可行的，若再结合灵敏度分析及尺寸优化，可以大幅度减轻卫星结构重量，改善卫星结构的动力特性。     

基于实测数据的卫星公路运输动力学特性仿真分析方法

为解决卫星运输跑车试验耗时耗力的问题,采用仿真方法研究了卫星在公路运输过程中的动力学特性。先基于大量实测数据,建立仿真分析输入谱;再通过Patran/Nastran有限元软件建立包装箱–卫星的联合仿真模型,对经过组合体模态试验修正后的模型进行了模态分析和随机振动响应分析,得到了模型的前6阶模态振型以及关键部位的加速度和应力响应RMS值。结果表明:联合仿真模型各部位的应力RMS值远低于材料屈服极限,卫星结构具有足够的安全裕度。该仿真分析方法可以准确有效地分析卫星在运输过程中经受的力学环境,为卫星结构及包装箱设计提供依据。     

卫星结构基础加速度激励及界面力识别试验研究

针对某卫星结构模型,开展基于实测卫星结构加速度的卫星基础激励和星-箭连接界面动载荷反演试验研究.首先,根据卫星结构和试验条件,设计了用于测量星-箭界面传递载荷的工装;其次,基于卫星结构模态试验和有限元模型修正技术,获取了卫星结构的高保真有限元模型;进一步,开展基础激励下的卫星结构模型振动试验,利用动载荷识别技术获取振动...     

500吨级液氧煤油发动机结构动态特性

为获得我国载人登月运载系统用500吨级液氧煤油发动机结构动态特性,采用有限元方法对发动机整机结构进行了模态计算分析,并对影响结构动态特性的相关因素进行了分析,获得了发动机的模态参数以及优化结构低频特性的有效途径。针对该发动机零部组件多、结构复杂度高的特点,采用子结构有限元模型组装并结合部分组件试验的方式建立了整机结构的有限元仿真模型。计算结果表明,在目前设计状态下,发动机的首阶模态频率约为8.8 Hz。进一步优化表明,通过增大工艺拉杆倾角,可显著提升伺服回路在相应方向上的横向刚度,从而使该方向上的模态频率得到大幅提升。     

某发动机整机模态分析

为了获得某型号发动机的动态特性,采用有限元方法进行了发动机整机的模态分析。按照由组件到整机的思想,分别建立了各个组件的有限元模型。重点对推力室和喷管的建模方法进行了分析。将推力室按等效刚度法等效为单层壳,喷管按结构特性等效为正交各向异性壳,并将喷管计算结果同模态试验结果进行对比,验证了喷管建模方法的准确性。各组件模型组装为整机有限元模型,计算得到了整机的模态分布。数值计算结果同模态试验结果吻合较好。     

随动推力作用下柔性旋转飞行器稳定性分析

针对柔性旋转飞行器动力学问题,考虑了飞行器转速的作用,建立了计入陀螺力矩及随动推力影响的运动方程并分析了系统的动力稳定性问题。将柔性旋转飞行器简化为带有附加质量的非均匀转子结构,考虑陀螺力矩及随动推力的影响,采用剪切变形对轴向位移有影响的Timoshenko梁模型,基于有限元方法建立了运动方程,分析转速、剪切刚度及附加质量等因素对系统稳定性的影响,发现了转速作用下旋转飞行器刚体和弹性体模态耦合的新现象。结果表明：剪切刚度较小时,剪切变形对临界推力有较大影响;附加质量的大小及位置对临界推力和不稳定域有重要的影响;转速一般会诱发非均匀转子系统的弯曲模态与刚体模态合并为一个耦合模态,致使系统产生动态失稳。     

四机并联发动机低频动态特性分析

为了获得发动机结构的低频动态特性,采用有限元方法进行了液体火箭一级四机并联发动机(含机架)的计算模态分析。由于发动机为复杂的非对称结构,建模时按质量和刚度等效原则将推力室的夹层结构简化成单层板,其余结构大都按空间梁简化,通过改变材料密度保证了模型质量与发动机稳态工作时的质量一致。简化后的计算规模适中,既反映了结构的主要特征又不浪费计算机资源和时间。计算结果表明了四机并联发动机系统中有多阶轴向运动较大的模态值得注意,需避免它们和发动机的低频脉动及箭体的低频振动耦合。     

六自由度激励台的结构动力学等效建模

六自由度激励台是多轴同步振动环境模拟的重要地面设备,因其结构复杂且具有多个运动自由度,而难以构建准确的结构动力学模型。文章针对6-PSU构型激励台的结构动力学特性,提出其参数型建模与模型修正方法。首先确定模型修正的对象为含轴承和导轨等接触运动副的铰链与作动部件,提出采用刚度与质量解耦的方法建立其含参等效动力学有限元模型;然后以该等效模型为基础,通过模态参数修正铰链和作动部件等效梁模型参数,再利用频响函数修正模型中轴承和导轨的接触刚度参数,得到了修正后的激励台等效结构动力学模型。修正后的有限元模型计算结果与试验结果吻合较好,验证了建模方法的有效性。     

大挠性空间桁架结构的动力学建模与仿真研究

对航天器结构中常用的一字型空间桁架,基于建立的普通式和拉索式空间桁架结构简化模型,用有限元法建立空间桁架结构模型,分别对两种空间桁架结构的模态特性、谐响应和瞬时激励响应等动力学特性进行了仿真研究,分析了拉索式空间桁架结构的弦张力对桁架结构振动特性的影响。研究较好地模拟了大挠性空间桁架结构的动力学特性及其在外太空的真实工况,有一定的参考意义。     

壁挂式主频可调变截面小卫星结构设计与验证

针对多星并联布局“一箭多星”发射小卫星的模式，为降低星箭连接界面结构受力、提高卫星结构对不同运载火箭的主频适应性、提高星内设备安装空间利用率，本文设计了一种壁挂式主频可调变截面小卫星结构。对该卫星结构，开展了基于有限元方法的模态和静力分析验证，还开展了地面鉴定级振动试验验证和在轨飞行试验验证。分析和试验结果表明，壁挂式卫星结构相比底部连接式卫星结构，星箭连接界面受力可降低67.7%；在不增加卫星结构质量的前提下，仅通过安装或拆卸主传力路径上的部分连接螺钉，就能实现卫星3个方向一阶频率10 Hz左右的可调范围；采用沿运载火箭轴线方向横截面大小可变的变截面结构设计，可将星内设备安装空间的利用率由等截面卫星结构的49.1%提高到74.2%。