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空間結(jié)構(gòu)動力學(xué)等效建模與控制(精) 版權(quán)信息
- ISBN：9787030689719
- 條形碼：9787030689719 ; 978-7-03-068971-9
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數(shù)：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
空間結(jié)構(gòu)動力學(xué)等效建模與控制(精) 本書特色
該書以大型空間可展開結(jié)構(gòu)為對象，重點解決這類大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的動力學(xué)建模及振動控制問題。
空間結(jié)構(gòu)動力學(xué)等效建模與控制(精) 內(nèi)容簡介
本書應(yīng)用結(jié)構(gòu)動力學(xué)、振動力學(xué)、振動控制等理論方法對大型空間結(jié)構(gòu)動力學(xué)等效建模與動態(tài)響應(yīng)控制進(jìn)行了研究。基于能量等效原理、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)、很優(yōu)控制原理、分布參數(shù)模型等，系統(tǒng)介紹了大型空間結(jié)構(gòu)的等效動力學(xué)建模方法、作動器/傳感器優(yōu)化配置、結(jié)構(gòu)在軌熱致振動、分布參數(shù)系統(tǒng)振動控制等內(nèi)容。本書具有鮮明的工程背景，注重理論與工程應(yīng)用的結(jié)合。 本書可供高等院校航空、航天、力學(xué)、土木、控制等專業(yè)的研究生、教師和研究人員，以及從事相關(guān)領(lǐng)域工作的工程師和技術(shù)人員閱讀。
空間結(jié)構(gòu)動力學(xué)等效建模與控制(精) 目錄
目錄
前言
第1章 桁架結(jié)構(gòu)動力學(xué)等效建模 1
1.1 周期桁架單元力學(xué)模型 1
1.2 周期桁架單元等效方法 4
1.3 等效環(huán)形梁模型 7
1.4 等效圓環(huán)模型 9
1.4.1 等效圓環(huán)運動方程 9
1.4.2 無約束圓環(huán)固有振動 12
1.4.3 含約束圓環(huán)固有振動 14
1.5 算例 19
1.5.1 無約束環(huán)形桁架結(jié)構(gòu) 19
1.5.2 含約束環(huán)形桁架結(jié)構(gòu) 24
第2章 索網(wǎng)結(jié)構(gòu)動力學(xué)等效建模 27
2.1 拋物面索網(wǎng)結(jié)構(gòu)找形分析 27
2.1.1 索網(wǎng)結(jié)構(gòu)力密度法 28
2.1.2 等力密度法索網(wǎng)結(jié)構(gòu)找形 30
2.2 拋物面索網(wǎng)結(jié)構(gòu)動力學(xué)等效 31
2.2.1 索網(wǎng)結(jié)構(gòu)與薄膜等效 31
2.2.2 拋物面薄膜的能量 32
2.2.3 拋物面索網(wǎng)的能量 34
2.2.4 動力學(xué)等效方法 35
2.3 算例 35
第3章 充氣拋物面薄膜結(jié)構(gòu)動力學(xué)建模 42
3.1 拋物面薄膜動力學(xué)模型 42
3.2 拋物面薄膜非線性振動方程 43
3.2.1 薄膜非線性振動方程 43
3.2.2 薄膜非線性振動方程的簡化 47
3.3 充氣拋物面薄膜自由振動 50
3.3.1 拋物面薄膜動態(tài)響應(yīng) 50
3.3.2 周邊固定拋物面薄膜固有振動 54
3.4 算例 55
3.5 充氣拋物面薄膜反射器的動態(tài)特性 59
3.5.1 拋物面薄膜反射器力學(xué)模型 59
3.5.2 薄膜與圓環(huán)之間的相互作用 60
3.5.3 拋物面薄膜反射器固有振動 62
3.5.4 算例 64
第4章 空間環(huán)形桁架結(jié)構(gòu)熱致振動 69
4.1 坐標(biāo)系及坐標(biāo)變換 69
4.2 熱流計算 70
4.2.1 太陽輻射 71
4.2.2 地球紅外輻射 72
4.2.3 地球反射輻射 73
4.2.4 單元間熱傳導(dǎo) 73
4.2.5 單元對外輻射 73
4.3 算例 73
4.4 熱致振動 80
4.4.1 Fourier溫度桿單元 80
4.4.2 梁的熱致振動 84
4.4.3 桁架的熱致振動 87
4.5 熱致振動的穩(wěn)定性 92
4.5.1 梁的熱致振動 92
4.5.2 圓環(huán)的熱致振動 100
第5章 環(huán)形索網(wǎng)結(jié)構(gòu)振動主動控制 108
5.1 索網(wǎng)結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型 108
5.1.1 索單元有限元模型 108
5.1.2 索網(wǎng)結(jié)構(gòu)動力學(xué)建模 111
5.2 作動器/傳感器數(shù)目優(yōu)化 111
5.2.1 復(fù)合優(yōu)化準(zhǔn)則 111
5.2.2 優(yōu)化配置遺傳算法 114
5.2.3 字典序排列組合編碼 115
5.3 算例 117
5.4 基于優(yōu)化位置的索網(wǎng)主動控制 121
5.4.1 二次型Gauss*優(yōu)控制 121
5.4.2 拉線控制 126
第6章 基于分布參數(shù)的空間結(jié)構(gòu)*優(yōu)控制 129
6.1 控制系統(tǒng)構(gòu)成及數(shù)學(xué)模型 129
6.2 線性二次型*優(yōu)控制 131
6.3 環(huán)形結(jié)構(gòu)*優(yōu)控制 133
6.3.1 固支圓環(huán)面內(nèi)振動方程 133
6.3.2 圓環(huán)的狀態(tài)空間模型 135
6.3.3 圓環(huán)振動*優(yōu)控制 137
6.3.4 算例 139
6.4 狀態(tài)觀測器設(shè)計 145
6.4.1 無窮維Kalman濾波器 145
6.4.2 算例 147
第7章 空間結(jié)構(gòu)與控制力矩陀螺耦合問題 153
7.1 柔性結(jié)構(gòu)動力學(xué)離散建模 153
7.2 變形耦合結(jié)構(gòu)動力學(xué)建模 155
7.2.1 柔性單元執(zhí)行機構(gòu)動力學(xué)模型 155
7.2.2 三維變形耦合結(jié)構(gòu)單元 158
7.2.3 算例 161
7.3 振動耦合效應(yīng)分析 165
7.4 耦合效應(yīng)對固有頻率的影響 167
7.5 耦合效應(yīng)對固有振型的影響 169
7.6 電磁隔振 170
參考文獻(xiàn) 174
前言
第1章 桁架結(jié)構(gòu)動力學(xué)等效建模 1
1.1 周期桁架單元力學(xué)模型 1
1.2 周期桁架單元等效方法 4
1.3 等效環(huán)形梁模型 7
1.4 等效圓環(huán)模型 9
1.4.1 等效圓環(huán)運動方程 9
1.4.2 無約束圓環(huán)固有振動 12
1.4.3 含約束圓環(huán)固有振動 14
1.5 算例 19
1.5.1 無約束環(huán)形桁架結(jié)構(gòu) 19
1.5.2 含約束環(huán)形桁架結(jié)構(gòu) 24
第2章 索網(wǎng)結(jié)構(gòu)動力學(xué)等效建模 27
2.1 拋物面索網(wǎng)結(jié)構(gòu)找形分析 27
2.1.1 索網(wǎng)結(jié)構(gòu)力密度法 28
2.1.2 等力密度法索網(wǎng)結(jié)構(gòu)找形 30
2.2 拋物面索網(wǎng)結(jié)構(gòu)動力學(xué)等效 31
2.2.1 索網(wǎng)結(jié)構(gòu)與薄膜等效 31
2.2.2 拋物面薄膜的能量 32
2.2.3 拋物面索網(wǎng)的能量 34
2.2.4 動力學(xué)等效方法 35
2.3 算例 35
第3章 充氣拋物面薄膜結(jié)構(gòu)動力學(xué)建模 42
3.1 拋物面薄膜動力學(xué)模型 42
3.2 拋物面薄膜非線性振動方程 43
3.2.1 薄膜非線性振動方程 43
3.2.2 薄膜非線性振動方程的簡化 47
3.3 充氣拋物面薄膜自由振動 50
3.3.1 拋物面薄膜動態(tài)響應(yīng) 50
3.3.2 周邊固定拋物面薄膜固有振動 54
3.4 算例 55
3.5 充氣拋物面薄膜反射器的動態(tài)特性 59
3.5.1 拋物面薄膜反射器力學(xué)模型 59
3.5.2 薄膜與圓環(huán)之間的相互作用 60
3.5.3 拋物面薄膜反射器固有振動 62
3.5.4 算例 64
第4章 空間環(huán)形桁架結(jié)構(gòu)熱致振動 69
4.1 坐標(biāo)系及坐標(biāo)變換 69
4.2 熱流計算 70
4.2.1 太陽輻射 71
4.2.2 地球紅外輻射 72
4.2.3 地球反射輻射 73
4.2.4 單元間熱傳導(dǎo) 73
4.2.5 單元對外輻射 73
4.3 算例 73
4.4 熱致振動 80
4.4.1 Fourier溫度桿單元 80
4.4.2 梁的熱致振動 84
4.4.3 桁架的熱致振動 87
4.5 熱致振動的穩(wěn)定性 92
4.5.1 梁的熱致振動 92
4.5.2 圓環(huán)的熱致振動 100
第5章 環(huán)形索網(wǎng)結(jié)構(gòu)振動主動控制 108
5.1 索網(wǎng)結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型 108
5.1.1 索單元有限元模型 108
5.1.2 索網(wǎng)結(jié)構(gòu)動力學(xué)建模 111
5.2 作動器/傳感器數(shù)目優(yōu)化 111
5.2.1 復(fù)合優(yōu)化準(zhǔn)則 111
5.2.2 優(yōu)化配置遺傳算法 114
5.2.3 字典序排列組合編碼 115
5.3 算例 117
5.4 基于優(yōu)化位置的索網(wǎng)主動控制 121
5.4.1 二次型Gauss*優(yōu)控制 121
5.4.2 拉線控制 126
第6章 基于分布參數(shù)的空間結(jié)構(gòu)*優(yōu)控制 129
6.1 控制系統(tǒng)構(gòu)成及數(shù)學(xué)模型 129
6.2 線性二次型*優(yōu)控制 131
6.3 環(huán)形結(jié)構(gòu)*優(yōu)控制 133
6.3.1 固支圓環(huán)面內(nèi)振動方程 133
6.3.2 圓環(huán)的狀態(tài)空間模型 135
6.3.3 圓環(huán)振動*優(yōu)控制 137
6.3.4 算例 139
6.4 狀態(tài)觀測器設(shè)計 145
6.4.1 無窮維Kalman濾波器 145
6.4.2 算例 147
第7章 空間結(jié)構(gòu)與控制力矩陀螺耦合問題 153
7.1 柔性結(jié)構(gòu)動力學(xué)離散建模 153
7.2 變形耦合結(jié)構(gòu)動力學(xué)建模 155
7.2.1 柔性單元執(zhí)行機構(gòu)動力學(xué)模型 155
7.2.2 三維變形耦合結(jié)構(gòu)單元 158
7.2.3 算例 161
7.3 振動耦合效應(yīng)分析 165
7.4 耦合效應(yīng)對固有頻率的影響 167
7.5 耦合效應(yīng)對固有振型的影響 169
7.6 電磁隔振 170
參考文獻(xiàn) 174
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空間結(jié)構(gòu)動力學(xué)等效建模與控制(精) 節(jié)選
第1章 桁架結(jié)構(gòu)動力學(xué)等效建模 大型空間桁架結(jié)構(gòu)通常是由多個基本形式或結(jié)構(gòu)相同的桁架單元構(gòu)成的周期性結(jié)構(gòu)。對于梁式或板式周期桁架結(jié)構(gòu)，人們通常采用連續(xù)體等效的方法將其降階為梁或板模型，繼而利用這一高度降階的模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)的靜動力計算與分析。平面四邊形桁架單元往往是大型空間結(jié)構(gòu)如環(huán)形天線等基本組成單元，將其等效為空間梁，從而得到與空間桁架結(jié)構(gòu)動力學(xué)等效的一維空間梁結(jié)構(gòu)模型。 本章基于能量等效原理，獲得了桁架結(jié)構(gòu)周期單元等效力學(xué)模型，并進(jìn)一步將空間環(huán)形桁架結(jié)構(gòu)簡化為標(biāo)準(zhǔn)彈性圓環(huán)模型。數(shù)值仿真驗證了所提出的結(jié)構(gòu)動力學(xué)等效模型的精度。 1.1 周期桁架單元力學(xué)模型 大型空間天線或陣列的支撐骨架往往是由平面周期單元構(gòu)成。例如，美國TRW Astro Aerospace 公司為通信衛(wèi)星 Thuraya 研制的可展開天線，該天線口徑達(dá)12.25m，質(zhì)量只有 55kg，就是由兩種平面周期桁架單元交替相連而組成的環(huán)形周期結(jié)構(gòu)，如圖1.1.1所示。組成環(huán)形桁架結(jié)構(gòu)的周期單元可劃分為兩類平面矩形桁架，分別由 5 根構(gòu)件組成：2根橫向構(gòu)件、2根豎向構(gòu)件和1根斜向構(gòu)件，如圖 1.1.2 所示。這些構(gòu)件之間采用齒輪副、鉸鏈等關(guān)節(jié)連接，在環(huán)形桁架展開到位以后鎖定，從而形成具有一定剛度的支撐結(jié)構(gòu)。首先，不計入齒輪副、鉸鏈等關(guān)節(jié)間隙非線性，建立環(huán)形桁架結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型。 圖1.1.1 環(huán)形桁架結(jié)構(gòu)與力學(xué)模型 為了描述周期桁架單元上任意一點的運動，我們在周期單元的中心處建立Cartesian 坐標(biāo)系 O-xyz，其中 x 軸沿單元長度方向、z 軸沿單元高度方向、y軸由右手定則確定，如圖 1.1.2 所示。對于圖 1.1.2 中的平面周期單元，其橫截面(垂直于 x 軸的截面) 退化為沿 z 軸方向的一條直線。這里稱周期單元的四個關(guān)節(jié)為節(jié)點，關(guān)節(jié)質(zhì)量為 mi(i=1～4)。 圖1.1.2 平面周期桁架單元 考慮桁架結(jié)構(gòu)低頻振動，采用經(jīng)典梁理論中的平截面假定，即桁架結(jié)構(gòu)發(fā)生整體彎曲和扭轉(zhuǎn)變形時的橫截面保持為平面。這樣，周期單元橫截面上任意一點的位移沿截面高度線性變化。記周期桁架單元橫截面上任意一點 P 沿三個坐標(biāo)軸正向的位移分別為 ux、uy 和 uz，則 (1.1.1) 式中，u0x(x)、u0y(x) 和 u0z(x) 為橫截面中心處 (z=0) 的位移，和分別為橫截面繞 x 軸和 y 軸的轉(zhuǎn)角，ε0z(x) 為橫截面沿 z 軸方向的平均正應(yīng)變。 將式(1.1.1) 表示的周期單元任意橫截面上的位移在坐標(biāo)原點處進(jìn)行Taylor展開，得到 (1.1.2) 式中，ux0、uy0 和 uz0 為周期單元中心處的位移，和為周期單元中心處的橫截面轉(zhuǎn)角，滿足 (1.1.3) εx0、εz0 和 γxz0 為周期單元中心處的正應(yīng)變和剪切應(yīng)變，κx0、κy0 和 κz0 為周期單元中心處的扭曲率和彎曲率，滿足 (1.1.4) 注意到，對于平面周期單元，由于單元橫截面只在z軸方向有尺寸，而在y軸方向無尺寸，故在式 (1.1.2) 中只計入了 x-z 平面內(nèi)的剪切變形 γxz0，沒有考慮 x-y平面內(nèi)的剪切變形。 對于桁架結(jié)構(gòu)低頻振動，一個周期單元內(nèi)的應(yīng)變分量可以近似認(rèn)為是常量，則位移場式 (1.1.2) 近似為 (1.1.5) 若桁架中各構(gòu)件為固支連接，則構(gòu)件變形為彎曲和扭轉(zhuǎn)，各個構(gòu)件的連接點處除線位移外，還將產(chǎn)生結(jié)點轉(zhuǎn)角。對桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行連續(xù)體等效建模時，由于經(jīng)典連續(xù)體理論 (Classical Continuum Theory) 中任意質(zhì)點僅有三個線位移而無角位移，故采用經(jīng)典連續(xù)體理論無法直接描述剛性連接桁架結(jié)構(gòu)的結(jié)點轉(zhuǎn)角。解決上述問題的一種方法是采用更高級的微極連續(xù)體理論 (Micropolar Continuum Theory)，考慮介質(zhì)的粒子特征，認(rèn)為在連續(xù)體內(nèi)每一點上除了上述三個位移自由度外，還有三個獨立的轉(zhuǎn)動自由度 (Eremeyev， Lebedev and Altenbach， 2013)。然而，基于微極連續(xù)體理論的等效建模方法不僅等效過程復(fù)雜且等效后得到的微極連續(xù)體模型不便于工程應(yīng)用。另一種更為簡便的方法是采用經(jīng)典連續(xù)體理論中微元體的剛體轉(zhuǎn)角來近似桁架剛結(jié)點的轉(zhuǎn)動。 根據(jù)經(jīng)典彈性連續(xù)體理論 (程堯舜， 2009)，彈性體變形引起任意一點 P 附近的微元體繞該點作剛體轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動角度為 (1.1.6) 式中，θx、θy和θz分別為繞x、y和z軸之轉(zhuǎn)角。考慮到平面周期桁架單元僅在
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