剛-柔耦合復(fù)合結(jié)構(gòu)的動力學(xué)建模理論研究.pdf

1、許多機(jī)械構(gòu)件和航空航天結(jié)構(gòu)，如風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片、柔性機(jī)械臂、直升機(jī)旋翼、航空發(fā)動機(jī)葉片、衛(wèi)星天線以及太陽能帆板等，都屬于柔性附件搭載于剛性主體的剛-柔耦合結(jié)構(gòu)，且都可以簡化為轉(zhuǎn)動的中心剛體-懸臂梁或懸臂板模型進(jìn)行動力學(xué)分析。這類結(jié)構(gòu)所承擔(dān)的任務(wù)十分復(fù)雜，相應(yīng)的柔性附件往往處在高溫、高載等極端惡劣工況之下。為滿足實際工程需求，新型功能復(fù)合材料以及智能材料已經(jīng)逐漸取代傳統(tǒng)材料而成為結(jié)構(gòu)設(shè)計者的首選。除了實現(xiàn)多體系統(tǒng)輕質(zhì)化、高速化與高精度化的發(fā)

2、展目標(biāo)外，考慮幾何非線性、材料非線性以及含智能材料的柔性復(fù)合結(jié)構(gòu)的動力學(xué)建模理論研究與控制設(shè)計問題也是柔性多體系統(tǒng)動力學(xué)領(lǐng)域急需解決的難題之一。
　　本文基于柔性多體系統(tǒng)剛-柔耦合動力學(xué)理論，對含有功能梯度材料(FGM)、壓電材料和主動約束層阻尼（ACLD）等復(fù)合智能梁板結(jié)構(gòu)做大范圍運(yùn)動的動力學(xué)問題進(jìn)行了建模理論研究和數(shù)值仿真研究。本文的研究工作和成果主要有:
　　1.對柔性多體系統(tǒng)動力學(xué)的研究現(xiàn)狀、FGM、壓電材料、ACL

3、D主被動混合控制和頻率轉(zhuǎn)向問題的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，提出了本文的研究目標(biāo)和內(nèi)容。
　　2.對做大范圍旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的中心剛體-智能復(fù)合梁系統(tǒng)的剛-柔耦合動力學(xué)建模理論進(jìn)行了研究，建立了材料特性沿梁厚度方向梯度分布的中心剛體-FGM梁系統(tǒng)的高次剛-柔耦合模型。在此基礎(chǔ)上，將模型拓展為含壓電智能材料的旋轉(zhuǎn)中心剛體-FGM梁系統(tǒng)和中心剛體-ACLD梁系統(tǒng)。
　　3.基于高次剛-柔耦合動力學(xué)建模方法，編制動力學(xué)仿真軟件，分別對中心剛體-FG

4、M梁系統(tǒng)和貼有壓電片的旋轉(zhuǎn)智能梁系統(tǒng)的動力學(xué)特性進(jìn)行了研究，同時對中心剛體-ACLD智能復(fù)合梁系統(tǒng)進(jìn)行了主被動混合振動控制研究。對做勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的中心剛體-FGM梁系統(tǒng)的自由振動特性進(jìn)行分析，深入研究了考慮縱橫振動模態(tài)耦合效應(yīng)下系統(tǒng)的固有頻率與模態(tài)特性。采用ACLD主被動混合控制技術(shù)，通過設(shè)計反饋調(diào)節(jié)增益，對中心剛體-ACLD復(fù)合梁系統(tǒng)實現(xiàn)了智能振動控制。
　　4.以中心剛體-柔性梁（hub-beam）系統(tǒng)為研究對象，通過柔性梁變

5、形傾角的描述思想，建立了另外一種hub-beam系統(tǒng)的剛-柔耦合動力學(xué)模型。以梁變形傾角及軸向拉伸應(yīng)變?yōu)樽兞?，采用梁中軸線弧長坐標(biāo)積分來精確描述其變形場，基于Hamilton變分原理導(dǎo)出了系統(tǒng)的非線性偏微分-積分方程組和有限元離散化完整傾角模型。對梁傾角進(jìn)行二次泰勒展開，建立了系統(tǒng)的另外三個不同層次的離散化傾角剛-柔耦合動力學(xué)模型，即四次傾角模型、二次傾角模型和無拉伸簡化二次傾角模型。將二次傾角模型理論應(yīng)用于中心剛體-軸向FGM楔形梁系

6、統(tǒng)的動力學(xué)建模中。
　　5.基于梁傾角變形描述的剛-柔耦合建模理論，編制相應(yīng)的動力學(xué)仿真軟件，對中心剛體-懸臂梁系統(tǒng)的動力學(xué)行為進(jìn)行了研究。通過與一次近似剛-柔耦合模型和高次剛-柔耦合模型的比較，證明了所提傾角建模方法的準(zhǔn)確性。通過對四個不同層次的離散化傾角剛-柔耦合模型算例計算結(jié)果之間的比較，說明各模型在計算效率及精度上的差異?；诟咝У亩蝺A角模型理論，分析了材料特性沿梁軸向梯度分布的中心剛體-FGM楔形梁系統(tǒng)的動力學(xué)特性。<