鉸鏈及含鉸折展桁架非線性動力學建模與分析.pdf

1、可折展桁架機構(gòu)作為大型空間支撐臂、星載天線背架等空間結(jié)構(gòu)，具有支撐剛度大、折疊體積小、質(zhì)量輕、易擴展等優(yōu)點，廣泛應用于載人航天及對地觀測等空間活動中。隨著我國國防事業(yè)的發(fā)展，對空間用折展機構(gòu)的要求越來越高，如工作精度、抗干擾能力等，這些都與結(jié)構(gòu)的動力學特性密切相關(guān)。因此，進行可折展桁架機構(gòu)的動力學特性研究，對指導機構(gòu)的設(shè)計和分析及其性能提高具有重要的意義。
　　本文選擇平面回轉(zhuǎn)鉸鏈和球鉸為研究對象，考慮鉸鏈的間隙、接觸、碰撞等因素

2、，對其導致的非線性剛度和阻尼進行研究?；诮?jīng)驗接觸公式和接觸約束，建立鉸鏈徑向的非線性接觸模型，并通過實驗對接觸模型的正確性進行驗證?；诤g隙鉸鏈固有頻率解析模型，建立鉸鏈的徑向動剛度模型。通過建立鉸鏈側(cè)向動力學模型和理論分析得到平面回轉(zhuǎn)鉸鏈側(cè)向摩擦和碰撞產(chǎn)生的阻尼模型，分析預緊力、鉸鏈間隙和結(jié)構(gòu)剛度等參數(shù)對阻尼的影響，并進行實驗驗證。鉸鏈阻尼和剛度的研究為可折展桁架機構(gòu)的高精度動力學分析和機構(gòu)設(shè)計提供了理論依據(jù)。
　　基于瞬時

3、變形和模態(tài)疊加綜合的動力學分析方法，推導得到不同結(jié)構(gòu)特性下的模態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣，為具有非連續(xù)特性的含鉸結(jié)構(gòu)動力學分析奠定基礎(chǔ)和提供了可靠的分析途徑。以單個鉸鏈梁結(jié)構(gòu)為研究對象，基于振型理論和不同約束邊界，分析鉸鏈剛度對鉸鏈梁結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型的影響。推導得到含間隙鉸鏈的雙梁結(jié)構(gòu)固有頻率和振型，進行含鉸鏈雙梁的動力學分析。此外，建立含鉸鏈梁結(jié)構(gòu)沿梁軸線方向的碰撞模型，進行動力學響應分析和實驗驗證。
　　考慮鉸鏈在梁彎曲方向的剛度和阻尼特

4、性，建立含鉸鏈梁結(jié)構(gòu)的線性動力學模型，分析鉸鏈數(shù)目和剛度對鉸-梁結(jié)構(gòu)固有頻率和振型的影響?；谥C波展開法建立鉸鏈非線性力的諧波轉(zhuǎn)化關(guān)系，進行不同非線性因素的鉸鏈固有頻率特性分析。建立含鉸鏈梁結(jié)構(gòu)的非線性動力學模型，分析鉸鏈在不同非線性特性下各參數(shù)對結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的影響，得到結(jié)構(gòu)固有頻率隨鉸鏈間隙、剛度和激振力的變化規(guī)律。通過固有頻率脊線求解，得到結(jié)構(gòu)固有頻率極值隨鉸鏈數(shù)量、位置和剛度的變化曲面，通過非線性擬合得到鉸鏈參數(shù)對結(jié)構(gòu)固有頻率的影

5、響函數(shù)，其計算方法和結(jié)果在多維復雜結(jié)構(gòu)中具有一定的擴展性，為可折展結(jié)構(gòu)的設(shè)計和研究提供參考。
　　將鉸鏈動力學模型引入折展桁架中，建立折展桁架結(jié)構(gòu)的非線性動力學模型?；谥行牟罘址?，提出求解非線性系統(tǒng)的附加力方法，實現(xiàn)非線性多自由度系統(tǒng)的動力學分析，得到鉸鏈間隙、外部激振力和摩擦力等因素對折展桁架固有頻率和動力學響應的影響。對空間折展桁架進行分析，得到多個參數(shù)對結(jié)構(gòu)動力學特性的影響，通過多自由度折展桁架的振動實驗進行理論模型驗證。

6、考慮鉸和索的非線性特性，建立含索鉸結(jié)構(gòu)的動力學模型，利用非線性系統(tǒng)相圖進行各參數(shù)對響應穩(wěn)定性的影響研究。
　　為了得到含鉸鏈的桁架結(jié)構(gòu)在高頻率激勵下的動態(tài)響應，滿足大型可折展機構(gòu)的動力學分析需要，提出頻域剛度陣和質(zhì)量陣的概念?；诳v波和橫波波動方程和對方程的傅里葉變換，建立桿和梁的頻域剛度陣和質(zhì)量陣。通過一端固支一端自由桿的固有頻率的理論解、普通有限元解和動態(tài)剛度解的對比，驗證頻域有限單元陣的有效性和優(yōu)勢?；趹兡芎凸?jié)點位移等效