柔性结构的自旋动力学分析

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1、中图分类号：O313论文编号：102870113-B015学科分类号：080102博士学位论文柔性结构的自旋动力学分析研究生姓名赵将学科、专业固体力学研究方向多柔体系统动力学指导教师胡海岩教授南京航空航天大学研究生院航空宇航学院二О一三年四月万方数据万方数据NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAerospaceEngineeringDynamicAnalysisofSpinningFlexibleSt

2、ructuresADissertationinSolidMechanicsbyJiangZhaoAdvisedbyProf.HaiyanHuSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofEngineeringApril,2013万方数据万方数据承诺书本人声明所呈交的博士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为

3、获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：万方数据万方数据南京航空航天大学博士学位论文摘要近年来，旋翼、太阳帆等绕定轴转动的柔性结构在航空、航天、能源等工业领域得以广泛应用。这类柔性结构在经历大范围旋转运动的同时，还伴随着由不平衡离心力、气动力等激发起的结构振动，呈现出刚体运动与弹性振动的相互耦合。这种

4、耦合使柔性结构产生非常复杂的动力学行为，对动力学建模与分析带来许多困难。对这类具有大范围自旋运动的柔性结构进行动态建模并预测其动力学响应具有重要的科学意义和应用价值。已有研究表明，基于结构小变形假设的传统结构动力学或多柔体动力学建模方法无法准确描述经历大范围转动的柔性结构的非线性动力学特性，而绝对节点坐标方法（ANCF）能够精确描述柔性结构中大转动和大变形相互耦合的动力学行为。将这类描述柔性结构的绝对节点坐标方法（ANCF）与描述刚体的自然坐标方法（NCF）相结合，可以形成研究刚—柔耦合多体系统动力学的绝

5、对坐标（ACB）方法。但该方法目前具有计算效率比较低、缺乏能描述材料粘弹性特性的单元等问题。本文采用绝对节点坐标方法对柔性结构建模，对矩形薄板和太阳帆薄膜这两类典型柔性结构的自旋动力学进行研究。论文的主要内容和学术贡献如下：1.提出能够实现高效计算的ANCF缩减梁、板单元，给出单元弹性力及其Jacobi矩阵的解析表达式，通过静力变形分析算例验证了单元的有效性。2.采用ANCF薄板单元对定轴转动的旋转板进行振动分析，并将结果与传统方法及商业软件的计算结果进行对比。观察到转速变化引起旋转板的共振频率轨迹转向与

6、交叉现象，讨论了转速对旋转板的共振模态影响。3.采用基于ANCF描述的薄板单元对定轴转动薄板的动力学响应进行分析，研究了由转动引起的旋转板的“动力刚化”现象。指出与传统方法相比，绝对节点坐标方法能够有效用于分析大转动和大变形相互耦合问题。4.将自然坐标方法（NCF）与绝对节点坐标方法（ANCF）相结合，对大型柔性太阳帆结构的自旋展开过程进行分析，建立IKAROS航天器太阳帆的简化模型，对其第二阶段自旋展开过程进行研究，分析了集中质量、初始转速对展开过程的影响。5.提出基于ANCF描述的粘弹薄板单元，结合粘

7、弹性索单元，对含粘弹性阻尼的简化IKAROS太阳帆的第二阶段自旋展开过程进行研究，讨论了粘弹性阻尼对展开过程的影响。关键词：绝对节点坐标方法，自然坐标方法，太阳帆，自旋展开，旋转板，模态分析，动力刚化，粘弹性，广义-方法I万方数据柔性结构的自旋动力学分析II万方数据南京航空航天大学博士学位论文AbstractInrecentyears,spinningflexiblestructureshavebeenwidelyusedinthefieldofaviation,aerospace,andenergy.

8、Theflexiblestructuresnotonlyundergolargeoverallrotations,butalsosufferfromthestructuralvibrationsinducedbytheunbalancedcentrifugalforcesandaerodynamicforces.Thecouplingofrigidmotionsandelasticvibrationsoftheflexible