空间大范围运动柔性体动力响应分析平台研究

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1、——————————————————————————————————————空间大范围运动柔性体动力响应分析平台研究——————————————————————————————————————ResearchonAnalysisPlatformforDynamicResponseofFlexibleBodyUndergoingLargeOverallMotion——————————————————————————————————————作者姓名：邓圣光专业名称：固体力学指导教师：姚国凤教授学位类别：工学硕士答辩日期：2015年5月31日摘要空间大范围运

2、动柔性体动力响应分析平台研究挠性航天器越来越广泛地应用于现代航天领域中，挠性体的空间大范围运动属于柔性多体系统动力学的研究范畴。柔性多体系统动力学是多体系统动力学中的一类特殊问题，其系统中柔性体的变形与运动相互耦合，使得预示系统的响应变得更加复杂，需要建立合理的刚柔耦合动力学模型。本文重点研究空间大范围运动柔性体的变形和运动之间的耦合关系，研究对象为柔性实体结构和柔性梁结构，并最后建立解决这类问题的分析平台。混合坐标法是柔性多体系统动力学建模最常用的方法之一，柔性体的变形在随柔性体运动的坐标系中描述，属于一种零次近似耦合模型，该方法能够高效地解决柔性体

3、在小变形情况下的柔性多体系统动力学问题。然而，随着技术的不断发展，工程中的柔性多体系统更加复杂，柔性体在很多情况下发生大变形，应用小变形理论的传统混合坐标法无法准确预测系统的响应，甚至出现完全错误的结[1]果。1987年，Kane在研究悬臂梁的高速旋转问题时发现，当旋转角速度超过某个临界值时，采用零次近似耦合模型的方法得到了错误发散的结果，至此科研工作者开始认识到零次近似耦合模型的缺陷，并深入地研究符合实际的理论模型。显然，一个理论模型好坏的首要标准是可靠性，一个不合理的理论模型是无法应用于工程当中的，为此本文的研究目标是建立更加可靠的刚柔耦合动力学模

4、型。本文的建模方法基于传统的混合坐标法，依然采用三类参考坐标系：建立动力学方程的惯性坐标系、随柔性体运动的随动坐标系和单元变换坐标系。通过随动坐标系将柔性体的运动和变形分离，通过单元变换坐标系将单元坐标系中的位形转换到随动坐标系中，最后在惯性坐标系下通过Kane方程建立系统的动力学方程。有别于传统的混合坐标法，本文采用非线性应变-位移理论对柔性体的位形进行描述，因此保留了方程中的高阶次的刚柔耦合项，从而能够解决柔性多体系统产生大变形情况下的响应计算问题。本文研究对象包括柔性实体和柔性梁，二者分别使用八节点六面体等参元和欧拉梁单元进行离散，通过非线性有限

5、元的I虚功原理建立了柔性体的平衡方程，最后使用中心差分法等数值算法求解方程，从而得到系统的动力响应。关键词：刚柔耦合，柔性多体系统，数值仿真，非线性有限元ABSTRACTResearchonAnalysisPlatformforDynamicResponseofFlexibleBodyUndergoingLargeOverallMotionInmodernaerospace,flexiblespacecraftiswidelyused.Thelargeoverallmotionoftheflexiblespacecraftbelongstotheres

6、earchareasofflexiblemultibodysystemdynamicswhichisaspecialissueofmultibodysystemdynamics.Duetothecouplingofdeformandmotion,theresponseofflexiblemultibodysystemsismorecomplicated.Soareasonablerigid-flexiblecouplingdynamicsmodelarerequired.Inthisdissertation,thecouplingmechanismof

7、deformandmotionofflexiblebodyundergoinglargeoverallmotionisresearched,andthestudyobjectisflexiblesolidstructureandflexiblebeam.Theanalysisplatformtosolvethistypeofissueisalsobuilt.Thetraditionalhybrid-coordinatemethodiswidelyusedinflexiblemultibodysystemdynamics.Thedeformofflexi

8、blebodyisdescribedinthecoordinatemovingwithflex