刚-柔耦合复合结构的动力学建模理论研究

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1、万方数据博士学位论文刚．柔耦合复合结构的动力学建模理论研究作者：黎亮指导教师：章定国教授南京理工大学2014年11月万方数据Ph．D．DissertationResearchonDynamicModelingTheoryforRigid-·FlexibleCoupledCompositeStructuresByLiLiangSupervisedbyProj．ZhangDingguoNanjingUniversityofScience＆TechnologyNovember，2014万方数据声明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部

2、分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。研究生签名：跏l中年I1月g日学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。研究生签名：趣玉．v年11月台日万方数据博士学位论文刚．柔耦合复合结构的动力学建模理论研究摘要许多机械构件和航空航天结构，如风力发电机叶片、柔性机械臂、

3、直升机旋翼、航空发动机叶片、卫星天线以及太阳能帆板等，都属于柔性附件搭载于刚性主体的刚．柔耦合结构，且都可以简化为转动的中心刚体．悬臂梁或悬臂板模型进行动力学分析。这类结构所承担的任务十分复杂，相应的柔性附件往往处在高温、高载等极端恶劣工况之下。为满足实际工程需求，新型功能复合材料以及智能材料已经逐渐取代传统材料而成为结构设计者的首选。除了实现多体系统轻质化、高速化与高精度化的发展目标外，考虑几何非线性、材料非线性以及含智能材料的柔性复合结构的动力学建模理论研究与控制设计问题也是柔性多体系统动力学领域急需解决的难题之一。本文基于柔性多体系统刚．柔耦合动力学理论，对含有功能梯度材料(

4、FGM)、压电材料和主动约束层阻尼(ACLD)等复合智能梁板结构做大范围运动的动力学问题进行了建模理论研究和数值仿真研究。本文的研究工作和成果主要有：1．对柔性多体系统动力学的研究现状、FGM、压电材料、ACLD主被动混合控制和频率转向问题的研究进展进行综述，提出了本文的研究目标和内容。2．对做大范围旋转运动的中心刚体．智能复合梁系统的刚．柔耦合动力学建模理论进行了研究，建立了材料特性沿梁厚度方向梯度分布的中心刚体．FGM梁系统的高次刚．柔耦合模型。在此基础上，将模型拓展为含压电智能材料的旋转中心刚体．FGM梁系统和中心刚体．ACLD梁系统。3．基于高次刚．柔耦合动力学建模方法，编

5、制动力学仿真软件，分别对中心刚体．FGM梁系统和贴有压电片的旋转智能梁系统的动力学特性进行了研究，同时对中心刚体．ACLD智能复合梁系统进行了主被动混合振动控制研究。对做匀速旋转运动的中心刚体一FGM梁系统的自由振动特性进行分析，深入研究了考虑纵横振动模态耦合效应下系统的固有频率与模态特性。采用ACLD主被动混合控制技术，通过设计反馈调节增益，对中心刚体．ACLD复合梁系统实现了智能振动控制。4．以中心刚体一柔性梁(hub-beam)系统为研究对象，通过柔性梁变形倾角的描述思想，建立了另外一种hub-beam系统的刚．柔耦合动力学模型。以梁变形倾角及轴向拉伸应变为变量，采用梁中轴线

6、弧长坐标积分来精确描述其变形场，基于Hamilton变分原理导出了系统的非线性偏微分．积分方程组和有限元离散化完整倾角模型。对梁倾角进行二次泰勒展开，建立了系统的另外三个不同层次的离散化倾角刚．柔耦合动力学模型，即四次倾角模型、二次倾角模型和无拉伸简化二次倾角模型。将二次倾角模型理论应用于中心刚体．轴向FGM楔形梁系统的动力学建模中。5．基于梁倾角变形描述的刚．柔耦合建模理论，编制相应的动力学仿真软件，对中万方数据摘要博士学位论文心刚体．悬臂梁系统的动力学行为进行了研究。通过与一次近似刚．柔耦合模型和高次刚．柔耦合模型的比较，证明了所提倾角建模方法的准确性。通过对四个不同层次的离散

7、化倾角刚．柔耦合模型算例计算结果之间的比较，说明各模型在计算效率及精度上的差异。基于高效的二次倾角模型理论，分析了材料特性沿梁轴向梯度分布的中心刚体．FGM楔形梁系统的动力学特性。6．建立了做大范围运动FQ讧板的刚．柔耦合模型，详细研究了做匀速定轴转动的FGM板自由振动特性，分析了系统的频率转向现象，获得了板的振型变化图及振型节线图。关键词：刚．柔耦合，动力学建模，倾角，旋转复合梁／板，ACLD振动控制，频率转向Ⅱ万方数据博士学位论文刚．柔耦合复合结构的动力学建模理论