大型空间结构动力学等效建模与振动控制研究

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1、中图分类号：O313V414.1论文编号：102870115-B026学科分类号：080101博士学位论文大型空间结构动力学等效建模与振动控制研究研究生姓名刘福寿学科、专业一般力学与力学基础研究方向结构动力学与控制指导教师金栋平教授南京航空航天大学研究生院航空宇航学院二○一五年六月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAerospaceEngineeringDynamicEquivalentMod

2、elingandVibrationControlofLargeSpaceStructuresAThesisinMechanicsbyLIUFushouAdvisedbyProf.JINDongpingSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyJune,2015承诺书本人声明所呈交的博士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包

3、含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：南京航空航天大学博士学位论文摘要随着航天技术的发展，航天器结构日益呈现出大型化和轻量化的特点。为确保大型空间结构具有良好的动力学品质，达到航天任务高精度、高可靠性要求，必须在其设计阶段进行有效的动力学分析。此外

4、，大型空间结构不可避免地受到太阳辐射、航天器姿态调整、空间碎片冲击等干扰，激发出的动力学响应很难自行衰减。本文针对大型环形可展开空间结构的等效动力学建模及其振动控制问题进行研究。论文主要内容如下：(1)研究了环形桁架结构模型降阶以及连续体等效问题。对于组成环形桁架结构的平面桁架单元，同时考虑其面内和面外变形，基于能量等效原理得到了各向异性等效梁模型的刚度和质量参数及单元刚度矩阵和单元质量矩阵，并对等效后的一维环形梁结构进行了有限元分析。在忽略等效梁模型各向异性的情况下，将原环形桁架结构简化为一个标准

5、的弹性圆环。数值算例验证了等效方法的正确性及采用弹性圆环简化模型的可行性。(2)采用能量等效方法，将大型可展索网天线中的三向抛物面索网结构等效为具有均匀张力的各向同性抛物面薄膜，给出了等效薄膜刚度和质量参数的计算方法。通过对抛物面索网结构与等效薄膜固有振动的对比和分析，验证了该等效方法的正确性。(3)基于Donnell非线性薄壳理论，采用Hamilton原理推导了充气抛物面薄膜的非线性振动方程，并根据薄壳振动的Donnell简化理论及扁壳近似理论对其进行了简化。通过线性化充气抛物面薄膜的振动方程，获

6、得了近似解析解。考虑边界固定的情况，推导了充气抛物面薄膜的频率方程和振型函数，并与有限元模型进行了对比验证。(4)针对由充气抛物面薄膜和充气圆环组成的反射器结构，根据薄膜和圆环之间的位移连续性条件及力平衡条件，推导了自由状态下充气反射器结构的频率方程和振型函数，并与有限元模型进行了对比验证。(5)针对大型柔性空间结构分布参数模型的振动控制问题，采用谱分解方法设计了分布参数系统的线性二次型最优控制器。以一个具有弱阻尼的圆环结构的面内振动控制为例，直接利用圆环的偏微分运动方程设计最优控制器，揭示了该方法

7、在降低控制溢出方面的有效性。关键词：大型环形空间结构，动力学建模，充气薄膜，扁壳理论，模型降阶，分布参数系统，振动控制i大型可展开空间结构的动力学建模及振动主动控制ABSTRACTWiththedevelopmentofspacetechnology,spacecraftstructuresareincreasinglyshowingthecharacteristicsoflarge-scaleandlightweight.Inordertoensurethegooddynamicproperiti

8、esoftheselargespacestructures,andachievethehighprecision,highreliabilityrequirementsofspacemission,itisnecessarytopredictdynamicresponsesintheirdesignstage.Furthermore,whileworkinginspace,largespacestructureswillbeinevitablyaffectedbyav