沈阳航空航天大学毕业设计说明书论文届模板理工类.docx
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沈阳航空航天大学毕业设计说明书论文届模板理工类
太阳翼桅杆空间桁架结构动力学分析
学院
航空航天工程学部
专业
工程力学
班级
14030401
学号
2011040304035
姓名
朱学东
指导教师
祁武超
负责教师
沈阳航空航天大学
2010年6月
摘要
由于空间可折展桁架结构具有折叠比大、质量轻和高刚度等优点,近年来在航天领域得到广泛应用。
空间桁架结构工作在零重力环境下,一旦受到来自航天器、端部载荷、陨石撞击或高低温交变载荷的激励,很容易激起低频、大幅度振动。
由于桁架自身在零重力环境下阻尼很小,这种振动很难衰减,将对航天任务造成重大影响。
本文以空间站太阳翼桅杆空间桁架结构为参考原型，经过适当修改，建立其几何模型、边界条件和载荷，对其进行线性动力学分析。
求解过程使用基于模态叠加法的动力学分析手段，观察所提取模态数量与计算结果的精确性及耗费的计算资源之间的比较，最终得到太阳翼桅杆空间结构的动力学响应特性。
分析空间桁架结构悬臂梁自由端受到冲击载荷作用后的响应，对于空间站太阳翼桅杆的空间桁架结构设计具有重要意义。
由以上仿真和研究结果可得，模型的各阶模态，模型的总质量、特征值、有效质量等数据，每阶振型的广义质量。
通过观察振型参与系数可得各阶振型在那个自由度上起主导作用。
虽然提取的模态越多，后续动力学分析计算的结果越精确，但是耗费的计算资源也越多，为了保证计算精度兼顾计算效率，所以取各方向上的总有效质量达到模型总质量的90%以上。
经过分析获得所需杆单元的应力、应变时程曲线和峰值。
本论文空间桁架结构振型叠加法的动力学分析为太阳翼结构系统提供了理论基础。
关键词：
Abaqus；太阳翼空间桁架；模态叠加法；动力学分析
Solarwingmastsspacetrussstructuredynamicsanalysis
Abstract
Because of the space can be folded Trusses with folded ratio, light weight and high rigidity, etc., in recent years it has been widely used in the aerospace field. Space truss structure to work in zero gravity environment, in the event from the spacecraft, the end load, meteorite impacts or high and low alternating load incentive, it is easy to arouse a low frequency, a significant vibration. Since the truss itself little damping in zero gravity environment, this is difficult to attenuate vibration, space mission will have a significant impact.
In this paper, the space station solar wing masts truss structure as a reference prototype, after appropriate modifications, the establishment of its geometry, boundary conditions and loads, analyzed linear kinetics. Solving process using kinetic analysis tools based on modal superposition method of observation and comparison of accuracy and computing resources between consumption and the number of modes of the extracted results, the final kinetic solar wing masts spatial structure response. Analysis of the free end of the cantilever truss structure space by the impact load response after the structural design for the space station truss masts solar wings is important.
From the above results of simulation and research available, each modal model, the total mass of the model, eigenvalues, effective quality data, each vibration mode of generalized mass. By observing mode participation coefficient available for each vibration mode play a leading role in that freedom. Although the extraction mode, the more accurate the results of the follow-up analysis and calculation of dynamics, but also cost computing resources more accuracy in order to ensure both computational efficiency, so take each direction to achieve the total effective mass of the total mass of 90 models % the above. After analysis of stress to achieve the desired stem cells, when the strain process curve and peak. This paper space truss structure dynamics mode superposition method of analysis provides a theoretical basis for the solar wing structure of the system.
Keywords:
Abaqus; solar wing space truss; modal superposition method; Dynamic Analysis
符号表
a
长度长度长度长度长度长度长度
m
w
速度
m/s
c
光速光速光速光速光速光速光速光速
m/s
α
系数系数系数系数系数系数系数系数系数
p0
环境压力环境压力环境压力环境压力
MPa
η
效率
vf
流体速度流体速度流体速度流体速度
m/s
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目录
1第1级标题1
1.1第2级标题1
1.1.1第3级标题1
1.1.2第3级标题2
1.2第2级标题2
1.2.1第3级标题3
1.2.2第3级标题3
1.2.3第3级标题4
1.3第2级标题4
2第1级标题5
2.1第2级标题5
2.1.1第3级标题5
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2.2第2级标题6
2.2.1第3级标题6
2.2.2第3级标题7
2.2.3第3级标题7
2.3第2级标题8
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3.1.3第3级标题10
3.2第2级标题11
3.2.1第3级标题11
3.2.2第3级标题12
3.3第2级标题12
3.3.1第3级标题12
参考文献13
致谢14
附录Ⅰ参数表15
附录Ⅱ程序清单16
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1绪论
1.1研究背景及意义
随着我国经济和社会的持续发展，我国航天事业取得了巨大的进步。
因为太阳能帆板的主要作用就是给卫星、空间站等航天器供能，所以在航天事业发展迅速的今天对太阳翼的研究也越来越重要，太阳能帆板航天器也是一种发展趋势，用途也越来越广泛。
太阳翼不仅为卫星供能，还是卫星等航天器的主要驱动机构，所以对太阳翼桅杆结构的建模和分析是极其重要的。
近些年来由于太空环境十分复杂，很多卫星发生故障频发都是由于太阳翼机构故障引起的。
太阳翼桅杆作为太阳翼系统的主要空间结构，其动力学分析就变得尤为重要。
由于太空是个真空且失重的环境，受实验条件和技术的限制，无法完全的模拟太空复杂的环境，所以要对太阳翼桅杆空间结构进行建模和分析，通过动力学分析得到空间桁架结构的动态特征，对结构进行动态特性的预估和优化设计，诊断及预报结构系统的故障。
作为太阳翼的支撑结构空间桁架结构在航空航天中的应用也越来越广泛，例如采用桁架结构的“奋进”号航天飞机将SIR-C/X-SAR主天线和外侧伸缩天线分开，以避免电子设备之间的相互干扰，日本探月卫星“月亮女神”号用桁架结构将携带的磁探测仪和卫星主体隔离的目的也是为了减少干扰以免影响正常工作[1]。
国际空间站采用巨大主桁架结构作为骨架用来安装各舱段，太阳能电池板以及移动服务系统，美国“军事星Ⅱ”的主体平台就是一个桁架式结构，用于安装天线、太阳能电池翼等。
由于桁架结构质量轻、工艺性好、易拆装、可以根据需要进行结构调节等优点，使桁架结构在航空航天中的应用空间越来越广阔[2]。
随着航天事业的迅速发展，航天器正朝着复杂化和大型化的方向迈进，一种航天器也担负着更多的任务，而空间桁架结构在航天工程上应用越来越广泛，我国重视研制各种应用卫星和开发卫星应用技术，在卫星遥感、卫星通信、卫星导航等方面取得了长足发展，而这些发展都要用到空间桁架结构。
空间桁架的样式非常之多，例如：
环形张紧桁架、四面体桁架、六面体桁架、八面体桁架等。
传统对角析架多为各类航天器普遍采用,有着结构简单稳定、几何特性单一、易于空间扩展和可展开回收等特点。
桁架结构用于航天最早出现在1977年8月美国发射的“旅行者”号探测器。
随着航天事业的进步桁架结构形式也越来越多样化。
材料也有传统的铝合金材料发展到现在的新型复合材料，结构和材料的进步要求空间桁架结构相关理论的提高。
随着航天器的复杂化和大型化，为降低发射费用，又保证其结构的稳定，就需要其结构要轻，受到太空环境的限制，导致了空间结构的高柔性和低阻尼型。
由于太空环境真空失重的，所以在受到各种内部和外部的干扰很容易发生大幅度、低频、长时间的振动，然而受到所处的环境以及自身特性的影响使得振动难以自行衰减。
这种振动与航天器主体姿态运动相互藕合,会给卫星的定位精度带来严重影响（如美国的哈勃望远镜）,甚至会带来毁灭性的灾难。
航天器振动造成的事故,几乎伴随着人类航天发展的整个过程,使得人们不得不越来越重视航天器的动力学问题,以保证航天器正常运行和航天使命的顺利完成。
上个世纪中后期,美国曾有4个飞行计划中的12个航天运载器和12个有效载荷由于振动发生88次故障,分析认为3次是由振动环境引起的,41次肯定是由冲击引起的[3J。
1982年美国“陆地卫星一4号”卫星由于观测仪器旋转部分受到干扰而发生振动,造成成像质量下降:
从航天史上不断发生的事故，我们得到教训空间结构的力学分析是非常重要的。
空间桁架在整个空间的结构起支撑的作用，所以其动力学性能对航天器影响尤为重要,因此,研究大型桁架结构在空间环境下的各种动力学响应特性,是对其实施振动控制的基础,有着较强的理论指导意义。
1.2国内外发展现状
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1.3本文研究工作
本文以空间站太阳翼桅杆空间桁架结构为参考原型，经过适当修改，建立其几何模型、边界条件和载荷，对其进行线性动力学分析。
求解过程使用基于模态叠加法的动力学分析手段，观察所提取模态数量与计算结果的精确性及耗费的计算资源之间的比较，最终得到太阳翼桅杆空间结构的动力学响应特性。
分析空间桁架结构悬臂梁自由端受到冲击载荷作用后的响应，对于空间站太阳翼桅杆的空间桁架结构设计具有重要意义。
2Abaqus软件
2.1Abaqus软件介绍
ABAQUS由世界知名的有限元软件公司ABAQUS公司于1978年推出，该公司于2005年被法国达索公司收购，并于2007年更名为SIMULIA。
Abaqus的用户遍布世界各地，涉及机械、土木、水利、航空航天、船舶、电子电器、汽车等各个工程领域。
ABAQUS作为国际知名有限元分析软件，其分析精确性早已得到反复验证，广泛的用户群就是有力的证据.。
ABAQUS包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。
并拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，如金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料，作为通用的模拟工具，ABAQUS除了能解决大量结构（应力/位移）问题，还可以模拟其他工程领域的许多问题，例如热传导、质量扩散、热电耦合分析、声学分析、岩土力学分析（流体渗透/应力耦合分析）及压电介质分析。
有限元技术目前已经取得了极大地发展，成为一种非常成熟的解决结构力学问题的手段。
在工程分析中的有限元软件（CAE）中，Abaqus是国际知名的有限元分析软件，在世界范围内具有广泛的知名度，其分析的结果具有极高的可信性和说服性，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到诸多复杂的非线性问题，不论是你想深入了解一个复杂产品的细节行为并进行设计更新，还是理解新材料的力学行为，模拟工艺制造过程等，Abaqus均能提供最全面的灵活解决方案。
2.1.1Abaqus的主要功能
设静态应力/位移分析：
包括线性，材料和几何非线性，以及结构断裂分析等
动态分析：
包括结构固有频率的提取，瞬态响应分析，稳态响应分析，以及随机响应分析等
粘弹性/粘塑性响应分析；
粘弹性/粘塑性材料结构的响应分析 ；
热传导分析：
传导，辐射和对流的瞬态或稳态分析 。
质量扩散分析：
静水压力造成的质量扩散和渗流分析等 。
耦合分析：
热/力耦合，热/电耦合，压/电耦合，流/力耦合，声/力耦合等 。
非线性动态应力/位移分析：
可以模拟各种随时间变化的大位移、接触分析等 。
瞬态温度/位移耦合分析：
解决力学和热响应及其耦合问题。
准静态分析：
应用显式积分方法求解静态和冲压等准静态问题 。
退火成型过程分析：
可以对材料退火热处理过程进行模拟 。
海洋工程结构分析：
对海洋工程的特殊载荷如流载荷、浮力、惯性力等进行模拟。
对海洋工程的特殊结构如锚链、管道、电缆等进行模拟。
对海洋工程的特殊的连接，如土壤/管柱连接、锚链/海床摩擦、管道/管道相对滑动等进行模拟 。
水下冲击分析：
对冲击载荷作用下的水下结构进行分析
疲劳分析：
根据结构和材料的受载情况统计进行生存力分析和疲劳寿命预估
设计灵敏度分析：
对结构参数进行灵敏度分析并据此进行结构的优化设计
ABAQUS软件除具有上述常规和特殊的分析功能外，在材料模型，单元，载荷、约束及连接等方面也功能强大并各具特点：
材料模型，定义了多种材料本构关系及失效准则模型，包括：
—弹性：
线弹性，可以定义材料的模量、泊松比等弹性特性
正交各向异性，具有多种典型失效理论，用于复合材料结构分析
多孔结构弹性，用于模拟土壤和可挤压泡沫的弹性行为
亚弹性，可以考虑应变对模量的影响
超弹性，可以模拟橡胶类材料的大应变影响
粘弹性，时域和频域的粘弹性材料模型
—塑性：
金属塑性，符合Mises屈服准则的各向同性和遵循Hill准则的各向异性塑性模型
铸铁塑性，拉伸为Rankine屈服准则，压缩为Mises屈服准则
蠕变，考虑时间硬化和应变硬化定律的各向同性和各向异性蠕变模型
扩展的Druker-Prager模型，适合于沙土等粒状材料的不相关流动的模拟
CappedDrucker-Prager模型，适合于地质、隧道挖掘等领域
Cam-Clay模型，适合于粘土类土壤材料的模拟
Mohr-Coulomb模型，这种模型与CappedDruker-Prager模型类似，但可以考虑不光滑小表面情况
泡沫材料模型，可以模拟高度挤压材料，可应用于消费品包装、及车辆安全装置等领域混凝土材料模型，这种模型包含了混凝土弹塑性破坏理论渗透性材料模型，提供了依赖于孔隙比率、饱和度和流速的各向同性和各向异性材料的渗透性模型。
其它材料特性：
包括密度、热膨胀特性、热传导率和导电率、比热、压电特性、阻尼以及用户自定义材料特性等
ABAQUS包括内容丰富的单元库，单元种类多达433种。
它们可以分为8个大类，称为单元族，包括：
—实体单元
—壳单元
—薄膜单元
—梁单元
—杆单元
—刚体元
—连接元
—无限元
ABAQUS还包括其中针对特殊问题构建的特种单元如针对钢筋混凝土结构或轮胎结构的加强筋单元（*Rebar）、针对海洋工程结构的土壤/管柱连接单元（*Pipe-Soil）和锚链单元（*DragChain），还有专门的垫圈单元和空气单元等特殊的单元等，这些单元对解决各行业领域的具体问题非常有效。
另外，用户还可以通过用户子程序自定义单元种类。
对ABAQUS进行二次开发也极为方便，ABAQUS支持FORTRAN或VC++来二次开发。
载荷、约束及连接
—载荷
载荷包括均匀体力、不均匀体力、均匀压力、不均匀压力、静水压力、旋转加速度、离心载荷、弹性基础，伴随力效应，集中力和弯矩，温度和其他场变量，速度和加速度等。
—约束
除常规的约束外，还提供线性和非线性的多点约束（MPC），包括刚性链、刚性梁、壳体/固体连接、循环对称约束和运动耦合等。
—连接
ABAQUS强大的接触对定义与分析功能为管接头接触密封分析，铰链连接分析，壳体密封分析等带来极大的便利。
第4级标题
2.2动力学分析
2.2.1动力学分析介绍
动力学分析用于研究结构的动态性能，结构动力学问题包含激励（输入）、系统（弹性结构体）和响应（输出）三个要素。
激励可以是力、力矩、位移等；响应包括系统的位移、速度、加速度、应力、应变等。
研究结构在动载荷作用下的动态响应是动力学分析的基本任务。
结构动力特性中最基本的两个特性是自由振动和强迫振动。
前者取决于初始条件，反映的是结构本身的固有特性；后者取决于外界对结构的输入。
结构的固有特性包括固有频率、模态振型、模态阻尼、模态质量、模态刚度等。
结构的这些特性也不是一成不变的，当结构发生非线性大变形振动时，模态不再是固有的，幅-频特性随时间而改变。
2.2.2系统运动方程
毕业在动力学问题中，考虑惯性因素的系统求解方程为：
（3-1）
式中，
和
分别是系统节点的加速度矢量和速度矢量；M、C、K、Q（t）分别为系统的质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵和节点的载荷向量。
如果忽略阻尼的影响，可简化为：
（3-2）
上式为无阻尼系统受迫振动的运动方程。
去掉载荷项Q（t），可简化为系统的自由振动方程。
（3-3）
又称为系统的动力特性方程，可求解出系统的固有频率和固有振型。
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2.2.3第3级标题
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2.3第2级标题
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图2.1系统结构图
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3.1第2级标题
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图3.1系统结构图
系统具有以下特点：
（1）该系统精度高该系统精度高该系统精度高该系统精度高该系统精度高该系统精度高该系统精度高；
（2）系统稳定性好系统稳定性好系统稳定性好系
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