結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析工程應(yīng)用介紹課件

結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析工程應(yīng)用介紹

隨著形形色色飛行器的出現(xiàn)，動力固有特性分析也出現(xiàn)許多特殊的問題。例如，火箭、導(dǎo)彈雖然基本上近似一個一維梁系統(tǒng)，但它們往往存在著級間連接與數(shù)目較多的分離面(接頭),這使得結(jié)構(gòu)的剛度分布、阻尼分布發(fā)生變化，給固有特性的精確分析帶來困難；大型液體燃料火箭廣泛存在著液體晃動問題，它對固有特性有不可忽視的影響；人造衛(wèi)星經(jīng)常采用自旋穩(wěn)定方案，并安裝有柔度很大的附件，如太陽能帆板、天線等，構(gòu)成具有轉(zhuǎn)動的剛體及柔性體的復(fù)合結(jié)構(gòu)，使它的固有特性分析更加復(fù)雜化。本章對這些問題做一概括介紹。一、飛行器分離面（接頭）對固有特性的影響

大部分火箭、導(dǎo)彈類型的飛行器都具有較多的接頭，它們使全彈的剛度分布發(fā)生局部擾動，如圖所示。一、飛行器分離面（接頭）對固有特性的影響接頭使剛度損失可達(30~40)%,如表8－1所示表8－1一、飛行器分離面（接頭）對固有特性的影響對彈體固有特性的影響2.使全彈的振動發(fā)生畸形接頭的存在，改變了剛度分布，必然使振型形狀、節(jié)點位置發(fā)生變化。在控制系統(tǒng)的設(shè)計中節(jié)點位置是個重要參數(shù)，所以，為了精確確定振型，必須考慮接頭的響應(yīng)。圖8-2所示為某彈前三階振型受接頭影響的變換情況。圖中x為彈體軸向坐標，坐標原點設(shè)在彈體頭部理論頂點，為振型幅值。應(yīng)當注意，同樣的接頭，所處的位置不同影響也不同。一般來講，在導(dǎo)彈彈體中部的接頭影響更加突出。一、飛行器分離面（接頭）對固有特性的影響分析方法精確地用純分析方法考慮接頭進行固有特性計算是困難的，一般都采用實驗與分析結(jié)合的方法。全彈的計算模型可以選用一維梁式模型或三維殼體模型，接頭則可分為處理為集中彎曲彈簧或沿分離面周線分布的彈性組件。處理這類模型的關(guān)鍵是這些彈性件柔度的確定。對于集中彎度彈簧，其柔度確定的方法有以下幾種。1.類比法參照已有的導(dǎo)彈接頭的柔度數(shù)據(jù)，用相似類比方法，推測所設(shè)計的接頭的柔度。2.經(jīng)驗公式法Alley和Leadbetfer根據(jù)大量實驗的統(tǒng)計，歸納出以下經(jīng)驗公式式中－－第i個接頭的彎曲柔度；－－接頭處彈身直徑（英寸）－－柔度系數(shù)，根據(jù)接頭的不同類型已制成表格供查（表8-3）一、飛行器分離面（接頭）對固有特性的影響表9-3此經(jīng)驗公式是以英制給出的，使用時應(yīng)予注意。3.實驗測定法4.其它方法當已具有實體結(jié)構(gòu)時，可通過靜力實驗或動力實驗得到各個接頭實際柔度。不過，實驗中應(yīng)注意消除彈性彎曲的影響。也可采用有限元或最佳擬合的分析方法來確定接頭的柔度，不過方法復(fù)雜而精度并不理想。分析方法問題的特點二、貯箱內(nèi)液體晃動對固有特性的影響晃動頻率及晃動激烈程度均與下列因素有關(guān)：容器形狀；推進器性質(zhì)；阻尼隔板設(shè)置情況；推進劑液面高度；加速度場的情況。在飛行過程中，隨著燃料不斷燃燒，推進劑液面情況不斷發(fā)生變化，從而對系統(tǒng)固有特性的影響也隨之變化。這是本問題的主要特點。一般說來，為了掌握整個飛行過程的固有特性情況，就要分析各個不同的推進劑燃燒階段的頻率與振型。另外一個特點是，一般只需考慮低階情況，特別是一階情況。因為經(jīng)研究指出，對于圓柱殼體，二階晃動質(zhì)量僅為一階晃動質(zhì)量的3％，而且在高階情況下液體內(nèi)部將產(chǎn)生紊亂的擾動，使阻尼激增，故二階以上可不予考慮。推進劑晃動頻率的確定二、貯箱內(nèi)液體晃動對固有特性的影響工程上常采用當量變換的方法，在對殼體壁作用的力與力矩相等、頻率相當?shù)臈l件下，將液體晃動模型等價代換為機械力學(xué)模型。一旦建立了當量機械模型，對于各種飛行器的液體晃動問題，可根據(jù)它們的液體參量、飛行狀態(tài)參量、飛行器參量很容易地確定出當量機械模型參量，從而確定出晃動頻率。一般采用的液體側(cè)向晃動當量機械模型有兩種。1.彈簧質(zhì)量模型根據(jù)殼體半徑及液面高度，可按流體動力學(xué)分析導(dǎo)得的當量公式確定貯箱中液體固定質(zhì)量m0、晃動質(zhì)量m1?；蝿淤|(zhì)量的運動受到彈簧與阻尼器的約束，其模型如圖8-10所示。模型中阻尼系數(shù)C、彈簧剛度K1都按流體動力學(xué)導(dǎo)得的當量公式確定。當阻尼較小時，阻尼的作用可以忽略。推進劑晃動頻率的確定二、貯箱內(nèi)液體晃動對固有特性的影響2.自由擺模型從晃動的物理現(xiàn)象來看，將它等價為一個當量擺是無可非議的。此模型如圖8-11所示。其中等參量也是由流體動力學(xué)分析得到的當量公式來確定。進行這種模型代換后，液體晃動問題的處理就與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的其它部件的處理方式完全相同?？紤]到將它們并入全系統(tǒng)模型的方便性，在飛行器動態(tài)分析中更習慣與采用彈簧質(zhì)量模型。由兩種模型均取一個運動質(zhì)量點m1可知，模型中值考慮晃動的一階模態(tài)。并入全系統(tǒng)動態(tài)分析的兩種方式二、貯箱內(nèi)液體晃動對固有特性的影響關(guān)于晃動液體對全系統(tǒng)動態(tài)固有特性的影響，其處理方法雖然基本上可以滿足工程需求，但是，由于液體的晃動而使結(jié)構(gòu)固有特性頻帶變寬，增加了發(fā)生耦合振動的可能性；另外，它提供了一個激勵源，是導(dǎo)致系統(tǒng)動態(tài)失穩(wěn)的渠道之一；同時，由于燃料量在整個飛行器中不斷變化，從而使全系統(tǒng)固有頻率與振型都成為時間的變化量；這些都給動力設(shè)計帶來了附加困難。為此，工程上往往采用結(jié)構(gòu)措施（如設(shè)計阻尼擋板，采用集束式貯箱）或系統(tǒng)化措施（燃料按程序轉(zhuǎn)移，燃燒次序化等），盡量降低液體晃動所產(chǎn)生的動力影響。三、8HZ振動現(xiàn)象從楊利偉的不適改起

2003年10月，航天員楊利偉搭乘“神舟五號”升空時，曾在一個短暫的時間內(nèi)感到非常不適。長二F火箭研制人員在了解到這一情況后，立即分析數(shù)據(jù)查找原因。數(shù)據(jù)分析顯示，火箭在上升期間曾出現(xiàn)過短暫的共振現(xiàn)象。為此研制人員對發(fā)射“神舟六號”飛船的長二F火箭進行了改進?！吧窳鄙系暮教靻T沒有產(chǎn)生特別的不適感，但技術(shù)人員通過對遙測數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)火箭從起飛126秒開始還是出現(xiàn)了逐漸增大的縱向單頻振動，頻率約為8Hz(以下稱為“8Hz”振動)。如果這一問題不解決，“神七”上的航天員還有可能產(chǎn)生像楊利偉那樣的感覺。因此，火箭系統(tǒng)“兩總”系統(tǒng)決心在發(fā)射“神七”的火箭上解決這一問題。

經(jīng)過進一步分析，研制人員發(fā)現(xiàn)“8Hz振動”現(xiàn)象是助推器動力輸送系統(tǒng)導(dǎo)致的比較典型的縱向耦合振動?；鸺皟煽偂苯M織研制人員對“8Hz”問題進行了深入的理論研究。為抑制這一現(xiàn)象，開展了穩(wěn)定性分析方法研究和振動抑制設(shè)計工作，確定了使用變能量蓄壓器來抑制振動的方案。為驗證分析結(jié)論和所采取措施的有效性，型號隊伍分別進行了變能量蓄壓器研制試驗、管路試驗以及點火控制線路驗證試驗；根據(jù)確定的改進方案，完成了新蓄壓器以及點火控制線路的設(shè)計、生產(chǎn)和總裝測試。

經(jīng)過中國航天科技集團公司飛船和火箭研制者艱苦卓絕的攻關(guān)，神舟七號飛船載人航天飛行任務(wù)按計劃有條不紊地實施著。2008年月日，凝聚著13萬