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温致材料弹性模量变化的刚-柔-热耦合系统动力学
1
作者
杨煜林
田青龙
+6 位作者
蔡陈生
唐育聪
任建伟
董杨
高辉遥
赵振宇
卢天健
《应用数学和力学》
北大核心
2025年第9期1130-1146,共17页
航天器在太空执行任务期间会受到复杂空间热环境载荷影响,导致其柔性结构的温度场发生显著变化,温度变化会引发结构的热动力学耦合强非线性的动力学响应,严重时会导致航天器失效.对于大尺寸、低刚度的柔性结构,其母材弹性模量的微小变...
航天器在太空执行任务期间会受到复杂空间热环境载荷影响,导致其柔性结构的温度场发生显著变化,温度变化会引发结构的热动力学耦合强非线性的动力学响应,严重时会导致航天器失效.对于大尺寸、低刚度的柔性结构,其母材弹性模量的微小变化会引起系统较大的响应,故有必要分析材料弹性模量随温度变化对刚-柔-热耦合系统动力学的影响规律.该文以绝对节点坐标法(absolute nodal coordinate formulation,ANCF)为基础,采用位置和梯度作为表征位移场及温度场的广义坐标,考虑温度对材料弹性模量的影响,提出了位移场和温度场统一形函数插值的等参单元.之后,根据虚功原理推导出系统的动力学方程,根据热量守恒定律推导出系统的传热方程,并采用广义α方法同时求解了每一个时间步内的两个方程.首先通过Boley简支梁验证了该文所提模型的有效性,然后分别建立了旋转柔性梁和中心刚体-夹层帆板航天器的刚-柔-热耦合系统动力学模型,针对不考虑温致材料弹性模量变化和考虑温致材料弹性模量变化的不同工况,进行动力学分析和比较.结果表明,相较于热应力,热环境下材料弹性模量的降低对系统响应的影响更为显著:对于旋转柔性梁,当角速度ω_(0)为2 rad/s和10 rad/s时,柔性梁端部的最大变形量相比于刚-柔耦合工况分别增大了9.7%和4.5%;对于中心刚体-夹层帆板,当力矩M 0为200 N·m和2000 N·m时,帆板检测点的最大变形量相比于刚-柔耦合工况分别增大了8.7%和7.1%.温度导致材料弹性模量的变化对刚-柔-热耦合系统动力学响应产生的影响不容忽视,该文结果可为航天器的控制系统设计提供重要参考.
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关键词
刚-柔-热耦合
绝对节点坐标法
温致材料弹性模量变化
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职称材料
题名
温致材料弹性模量变化的刚-柔-热耦合系统动力学
1
作者
杨煜林
田青龙
蔡陈生
唐育聪
任建伟
董杨
高辉遥
赵振宇
卢天健
机构
南京航空航天大学航空航天结构力学及控制全国重点实验室
南京航空航天大学多功能轻量化材料与结构工信部重点实验室
河海大学机电工程学院
上海航天控制技术研究所
出处
《应用数学和力学》
北大核心
2025年第9期1130-1146,共17页
基金
国家自然科学基金(11972185,12002156,12302047)。
文摘
航天器在太空执行任务期间会受到复杂空间热环境载荷影响,导致其柔性结构的温度场发生显著变化,温度变化会引发结构的热动力学耦合强非线性的动力学响应,严重时会导致航天器失效.对于大尺寸、低刚度的柔性结构,其母材弹性模量的微小变化会引起系统较大的响应,故有必要分析材料弹性模量随温度变化对刚-柔-热耦合系统动力学的影响规律.该文以绝对节点坐标法(absolute nodal coordinate formulation,ANCF)为基础,采用位置和梯度作为表征位移场及温度场的广义坐标,考虑温度对材料弹性模量的影响,提出了位移场和温度场统一形函数插值的等参单元.之后,根据虚功原理推导出系统的动力学方程,根据热量守恒定律推导出系统的传热方程,并采用广义α方法同时求解了每一个时间步内的两个方程.首先通过Boley简支梁验证了该文所提模型的有效性,然后分别建立了旋转柔性梁和中心刚体-夹层帆板航天器的刚-柔-热耦合系统动力学模型,针对不考虑温致材料弹性模量变化和考虑温致材料弹性模量变化的不同工况,进行动力学分析和比较.结果表明,相较于热应力,热环境下材料弹性模量的降低对系统响应的影响更为显著:对于旋转柔性梁,当角速度ω_(0)为2 rad/s和10 rad/s时,柔性梁端部的最大变形量相比于刚-柔耦合工况分别增大了9.7%和4.5%;对于中心刚体-夹层帆板,当力矩M 0为200 N·m和2000 N·m时,帆板检测点的最大变形量相比于刚-柔耦合工况分别增大了8.7%和7.1%.温度导致材料弹性模量的变化对刚-柔-热耦合系统动力学响应产生的影响不容忽视,该文结果可为航天器的控制系统设计提供重要参考.
关键词
刚-柔-热耦合
绝对节点坐标法
温致材料弹性模量变化
Keywords
rigid-flexible-thermal coupling
absolute nodal coordinate formulation
temperature-induced change in material elastic modulus
分类号
O313.7 [理学—一般力学与力学基础]
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职称材料
题名
作者
出处
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1
温致材料弹性模量变化的刚-柔-热耦合系统动力学
杨煜林
田青龙
蔡陈生
唐育聪
任建伟
董杨
高辉遥
赵振宇
卢天健
《应用数学和力学》
北大核心
2025
0
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职称材料
已选择
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