[發(fā)明專利]一種反映非線性剛?cè)峄旌线B接特性的時(shí)域子結(jié)構(gòu)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510228127.3
• 申請(qǐng)日: 2015-05-07
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104809301A
• 公開(kāi)（公告）日: 2015-07-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉莉;周思達(dá);董威利;陳昭岳;陳樹(shù)霖
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F17/50
• 分類號(hào): G06F17/50
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• 代理人: 暫無(wú)信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種動(dòng)力學(xué)模擬方法，特別涉及一種反映非線性剛?cè)峄旌线B接特性的動(dòng)力學(xué)模擬方法，屬于結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨著航天技術(shù)的發(fā)展和對(duì)工程結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)要求的提高，航天器結(jié)構(gòu)系統(tǒng)變得日益復(fù)雜和龐大。在動(dòng)態(tài)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于模型自由度較多，不得不耗費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。另一方面，許多航天器在研制過(guò)程中往往需要不同地域甚至不同國(guó)家之間的合作，考慮到技術(shù)保護(hù)問(wèn)題，合作雙方無(wú)法直接共享有限元模型。動(dòng)態(tài)子結(jié)構(gòu)方法就是為解決上述問(wèn)題而發(fā)展起來(lái)的一種較為理想的方法。

自從1960年Hurty首次實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)子結(jié)構(gòu)(Dynamic?Substituting，DS)技術(shù)以來(lái)，經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展動(dòng)態(tài)子結(jié)構(gòu)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域，先后形成了三類方法：模態(tài)綜合(Component?Mode?Synthesis，CMS)法、頻域子結(jié)構(gòu)(Frequency?Based?Substructuring，F(xiàn)BS)方法和基于脈沖的子結(jié)構(gòu)(Impulse?Based?Substituting，IBS)即經(jīng)典時(shí)域子結(jié)構(gòu)方法。前兩種方法中，子結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性分別由模態(tài)和頻率響應(yīng)函數(shù)描述。IBS方法是Rixen于2010年提出的新型時(shí)域子結(jié)構(gòu)方法，子結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性由脈沖響應(yīng)函數(shù)描述。IBS相對(duì)于其它兩種方法更適于瞬態(tài)沖擊動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，目前已在海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的振動(dòng)分析和月球探測(cè)器的軟著陸動(dòng)響應(yīng)計(jì)算中得到了應(yīng)用。

需要注意的是IBS方法中假設(shè)子結(jié)構(gòu)之間的連接是剛性的，即兩個(gè)子結(jié)構(gòu)的連接自由度的位移始終是相等的。連接件在系統(tǒng)的動(dòng)響應(yīng)中起重要作用，一個(gè)高精度的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析過(guò)程不僅需要建立準(zhǔn)確的子結(jié)構(gòu)模型，也要如實(shí)地反映子結(jié)構(gòu)間的連接。在實(shí)踐中，所有類型的連接都是半剛性或有彈性的，如果剛性連接不能充分描述真實(shí)的連接，那么仿真計(jì)算得到的動(dòng)響應(yīng)結(jié)果必然與試驗(yàn)結(jié)果相差甚遠(yuǎn)。董威利于2012年提出了一種基于脈沖響應(yīng)函數(shù)的彈性連接子結(jié)構(gòu)綜合方法，但是對(duì)彈性連接件的非線性特性沒(méi)有進(jìn)行考慮。因此連接件的阻尼和非線性特性必須被進(jìn)一步了解以更好的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)以滿足任務(wù)要求。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)航天技術(shù)領(lǐng)域結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模擬使用的傳統(tǒng)IBS方法不能真實(shí)反應(yīng)子結(jié)構(gòu)連接件的非線性剛?cè)峄旌线B接特性，從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析失真的問(wèn)題，本發(fā)明公開(kāi)的一種反映非線性剛?cè)峄旌线B接特性的時(shí)域子結(jié)構(gòu)方法，要解決的技術(shù)問(wèn)題是在航天技術(shù)領(lǐng)域結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模擬過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)使傳統(tǒng)IBS方法真實(shí)反應(yīng)子結(jié)構(gòu)連接件的非線性剛?cè)峄旌线B接特性，避免整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析失真，進(jìn)而提高航天技術(shù)領(lǐng)域結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模擬精度。

本發(fā)明的目的是通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明基本思路為：首先獲得各個(gè)子結(jié)構(gòu)的脈沖響應(yīng)函數(shù)矩陣；然后根據(jù)子結(jié)構(gòu)間的連接關(guān)系建立子結(jié)構(gòu)界面的相容條件(包括界面位移相容條件和界面力相容條件)以及連接件的運(yùn)動(dòng)方程；接下來(lái)利用界面力相容條件和脈沖響應(yīng)函數(shù)矩陣建立子結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程；最后利用位移相容條件和連接件的運(yùn)動(dòng)方程將所有子結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程綜合起來(lái)，解得各個(gè)子結(jié)構(gòu)的響應(yīng)和界面力。

本發(fā)明公開(kāi)的一種反映非線性剛?cè)峄旌线B接特性的時(shí)域子結(jié)構(gòu)方法，包括以下步驟：

步驟1：定義基本未知量，分別是系統(tǒng)的第s個(gè)子結(jié)構(gòu)的位移函數(shù)列向量u^(s)(t)、速度函數(shù)列向量加速度函數(shù)列向量ü^(s)(t)以及連接件對(duì)系統(tǒng)的作用力函數(shù)列向量λ(t)。通過(guò)數(shù)值積分方法Newmark法或者試驗(yàn)方法獲得每個(gè)子結(jié)構(gòu)的脈沖響應(yīng)函數(shù)矩陣H^(s)(t)，其中s表示子結(jié)構(gòu)的序號(hào)，H^(s)(t)矩陣的元素表示系統(tǒng)第s個(gè)子結(jié)構(gòu)的第j個(gè)自由度在脈沖激勵(lì)下第i個(gè)自由度的位移響應(yīng)。

步驟2：建立連接件的動(dòng)力學(xué)方程，包括以下步驟：

步驟2.1：將系統(tǒng)位移向量u分塊為描述各自子結(jié)構(gòu)的位移向量u^(s)，具體分塊方法為：

系統(tǒng)的位移向量用全體子結(jié)構(gòu)的位移向量表示為公式(1)：