航天刚-弹-液耦合系统的弹-液耦合研究

航天刚-弹-液耦合动力学中的弹-液耦合问题是关系到航天刚-弹-液耦合系统液固耦合机理研究和大规模液固耦合建模计算研究的重要课题。通过分析刚-弹-液耦合动力学拟变分原理的泛函,说明刚-弹-液耦合中的刚-弹耦合、刚-液耦合和弹-液耦合的特点。应用Lagrange乘子法,将无际边界条件纳入泛函中,通过识别Lagrange乘子,逐步说明弹-液耦合的机理。通过对泛函求驻值发现,无际边界条件由原来的先决条件转化为驻值条件,实现了从协调元到杂交元的过渡。通过分析泛函识别Lagrange乘子前后的驻值条件,明确了识别Lagrange乘子可以有效地减少计算自由度。      

多梁复合结构的动力学建模及全局解析振型分析

多梁复合结构广泛用于工程领域，其动力学特性对相关装备的工作状况有着重要影响，建立准确适用的动力学模型对后续的动力学响应参数影响规律研究有决定性作用。针对工程中常见的多梁复合结构，给出了位移场的一般表达式，利用哈密顿原理得出多梁复合结构的运动控制方程和边界条件，对其全局解析振型进行理论计算，给出了计算多梁复合结构数值振型的一般过程，基于数值分析和实验分析以L型梁和Z型梁为例利用频率相对误差、振型定性比较和MAC定量分析说明了全局解析振型的求解验证方法，利用伽辽金方法和全局解析振型给出了截断原系统得到离散系统运动方程的一般形式。提出的多梁复合结构的建模方法和全局解析振型求解验证方法，对工程中此类结构动力学响应的参数影响规律研究有重要意义。     

基于变分迭代的航天器相对姿轨耦合动力学解算方法

针对航天器相对姿轨耦合一体化运动,在定义坐标系下利用对偶四元数和旋量表示航天器的一般运动,推导出航天器六自由度运动学和动力学模型,并分别采用Runge-Kutta四阶算法和变分迭代法的配点形式求解该非线性模型。变分迭代法的配点形式是变分迭代法与配点法的复合,本文先给出变分迭代法的迭代方程,再把迭代方程应用到局部时间区间上探讨了局部变分迭代法,然后把变分迭代法与配点法结合得到数值迭代方程。利用对偶四元数所建立的模型相对于其他模型较为简洁,便于分析姿轨耦合特性。仿真结果表明,相比Runge-Kutta四阶算法,变分迭代法的解算精度更高。     

航天员活动的计算机仿真中人体动力学模型

研究了失重状态下人体的动力学方程。从动量矩守恒原理出发，应用矢量力学和多刚体动力方法建立起失重状态下人体的动力学模型，所得方程是一阶的，适用于计算机编程。方程的求解只要求输入人体基本的质量特性参数和相邻肢体的运动控制规律。文末给出了一个航天员通过双腿的圆锥摆运动来改变其自身姿态的例子，并求得了解析积分式。     

变构型空间站的姿态动力学建模与控制

研究了变构型空间站的姿态动力学建模和控制问题.首先采用拟坐标拉格朗日方法建立了带有挠性附件的固定构型空间站的刚/挠耦合数学模型,然后根据空间站构型变化过程的特点,并经过适当的变换,得到了变构型空间站的刚/挠耦合数学模型,最后采用一种新的分散变结构控制算法对空间站的姿态和挠性结构振动进行了一体化控制,仿真表明该方案能够有效地解决变构型空间站的姿态控制问题.     

空间运动体上梁的三维动力学建模和仿真

对附着在空间运动体上梁的动力学问题进行了研究,运用Lagrange方法建立了中心刚体作任意三维运动时,梁作横向振动和纵向振动的动力学方程,考虑了柔性梁的横向弯曲变形所带来的纵向位移,这种耦合变形使所得到的振动方程包含了动力刚化效应,这是与传统的梁振动模型的不同之处,最后通过仿真算例验证了该方法.      

卫星太阳电池阵的刚-柔耦合动力学

研究了卫星太阳电池阵在多点撞击过程中的刚-柔耦合动力学问题．基于Jourdain速度变分原理和单向递推组集方法，建立了柔性多体系统的动力学模型．用Hertz撞击法则建立了撞击力和撞击处的局部变形关系，分别用刚体模型和柔性体模型仿真计算了太阳电池阵的撞击力、撞击时间，揭示了变形运动和大范围运动的相互耦合作用．     

一种八质量MEMS陀螺模态频率分析方法

针对结构八质量MEMS陀螺在工作模态频率迭代设计过程中效率低下的问题,提出了一种模态频率解析分析方法。首先,根据八质量MEMS陀螺谐振子的构成方式是由集总质量按旋转对称的排布方式通过单向刚度柔性梁连接形成整体的特点,将其等效简化成一个质量-弹簧模型。然后,采用拉格朗日方程建立16自由度的质量-弹簧等效模型的动力学方程;考虑到八质量MEMS陀螺的工作模态振型特点,对动力学方程做出针对性的简化,提取其中的质量矩阵和刚度矩阵,求解质量矩阵和刚度矩阵行列式的特征值,通过逆推法筛选出符合工作模态振型特点的特征值,即为所需的工作模态频率。本文所提出的解析分析方法与有限元仿真频率偏差为12.8%,验证了所建频率分析模型的可行性。与有限元仿真所需的复杂建模流程相比,这种模态频率分析方法只需柔性梁的刚度以及质量块的质量,便能计算出工作模态的频率,因而能有效开展全局动力学模态分析,获取动力学最优解。     

基于混合Gramian的柔性航天器保结构平衡降阶

对于柔性航天器动力学方程的降阶问题,传统的内平衡降阶方法破坏了原方程的动力学结构.为了解决这一问题,提出了一种牺牲严格内平衡状态,而保留原系统动力学特性的近似内平衡降阶方法.该方法利用混合Gramian描述系统的模态价值,针对柔性航天器动力学方程的特殊形式,给出了混合Gramian的闭合解析解.该方法得到的降阶模型可以保留原系统包括二阶结构,对称和正定性在内的所有动力学特性.数值算例表明该方法不但可以达到与传统一阶内平衡方法相当的降阶精度,而且降阶速度有大幅度提升.      

梁纵向与横向耦合非线性振动分析

纵向振动和横向振动耦合是捆绑火箭等结构中的典型振动现象.以Rayleigh梁为研究对象,通过Hamilton变分原理推导了考虑应变二次项的纵向振动与横向振动耦合控制方程,并用有限元方法对该非线性系统的行为进行了模拟.针对线性系统固有振动频率和非线性纵横耦合动态响应情况,把所得结果与NASTRAN结果进行了比较,二者结果吻合,证明了本方法的正确性.在此基础上,借助振动控制方程和模拟结果,讨论了非线性系统频率与模态的时变特性,非线性动态响应频率成分特性,横向振动和纵向振动相互影响以及共振现象等.研究结果为本方法的实际应用提供了理论基础.      

压电智能柔性梁振动主动控制研究

利用压电陶瓷作为作动器,对柔性悬臂梁进行了振动主动控制研究.分析了压电结构振动主动控制的原理和方法.采用独立模态控制法对柔性悬臂梁的前两阶模态实施主动控制.实验结果表明,通过振动主动控制明显增加了柔性悬臂梁的结构阻尼,取得了十分有效的振动抑制效果.      

两杆纵向非线性弹性碰撞的瞬间响应

把处于弹性碰撞接触状态下的两个杆件看作是一个振动体系,此弹性碰撞问题被转化成该碰撞体系在碰撞杆具有初始扰动速度下的振动响应问题,于是将此碰撞问题的分析纳入了常规的振动分析范畴.论文给出了该非线性弹性碰撞问题的描述方法,给出了一种考虑非线性Hertz弹性接触变形的线性化方法和详细的实现步骤,给出了该碰撞问题在不考虑接触变形和考虑线弹性接触变形两种情况的解析解,数值分析结果验证了上述分析方法的可行性和正确性.     

端部带质量和弹簧约束悬臂梁振动响应的解析解

根据端部带质量和弹簧约束悬臂梁的特征值条件,提出了一种特征变换方法,获得了带约束悬臂梁广义质量和振动响应的解析解。通过分析根部弯矩、端部位移、速度和加速度放大系数的变化特征可知,端部弹簧的刚度对静态和一阶载荷响应有明显的影响,减载设计时可以放宽对端部质量的限制,载荷响应分析阶次介于速度和加速度的分析阶次之间。提出的特征变换方法可应用于求解其他载荷分布、边界条件和端部约束悬臂梁的振动响应解析解。      

变质量系统振动分析的两种方法

变质量系统振动特性研究对于航天航空工程具有重要的意义.根据虚位移原理和动量守恒定理,推导了一般变质量动力学系统的变系数控制微分方程,分析了质量变化对系统动特性的影响,给出了适用于变质量系统的改进欧拉中点辛差分格式和模态叠加方法.针对变质量质点、变质量拉压杆和变质量欧拉梁系统,用这两种方法对其动态响应进行了模拟.两种方法数值结果的高度一致性,初步证明了两种方法对于变质量系统振动分析的正确性和有效性.     

一类含间隙铰的刚柔耦合系统动力学研究

研究一类含间隙铰的结构对称的刚柔耦合系统的动力学建模及仿真问题。在该系统中, 柔性附件被简化为一段带有端部集中质量的无质量轻梁。首先,提出了轻梁双刚度的新概念; 基于运动关系的分析, 运用达朗贝尔原理导出了该耦合系统的五自由度动力学方程; 然后细致讨论了系统作反对称初值响应运动的情况,指出该响应中存在一种低频反对称振荡运动和两种高频反对称模态运动。由于两种高频运动的存在, 在数值仿真时, 需要选用足够小的步长, 才能获得可信的数值结果。仿真表明, 系统的低频反对称振荡频率将随间隙角的出现及增加而降低     

多冲量近圆轨道交会的快速打靶法

交会对接是空间站工程中一项非常重要的技术.对于给定的交会对接任务,设计可行的变轨策略,找出简单的计算变轨参数的算法是十分必要的.将高斯变分方程在参考轨道附近线性化得到一组线性化的轨道根数偏差方程,将该偏差方程的解作为二体模型解的初值进行轨道根数打靶,然后将所得到的二体模型的解作为摄动模型解的初始进行打靶.结果表明该迭代算法能很快收敛到摄动模型下的交会对接解.