[發(fā)明專利]一種控制舵結(jié)構(gòu)非線性熱模態(tài)分析方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202111301725.0
• 申請日: 2021-11-04
• 公開（公告）號: CN114117842B
• 公開（公告）日: 2022-09-06
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉久周;劉鑫;陳韜;辛健強(qiáng);屈強(qiáng);張翔;吳勇軍;陳景茂;楊勇;洪文虎;楊旭堃;王靜;尹琰鑫;彭錦龍;李秀濤;張青青;耿鈞;陳亦冬;胡君怡;崔嫻嫻
• 申請（專利權(quán)）人: 中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F17/13;G06F119/08;G06F119/14
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 楊春穎

本發(fā)明公開了一種控制舵結(jié)構(gòu)非線性熱模態(tài)分析方法，在線性模態(tài)概念的基礎(chǔ)上，引入非線性模態(tài)的概念，將非線性模態(tài)定義為非線性保守自治系統(tǒng)所有自由度同時達(dá)到位移最大或平衡位置的振動狀態(tài)。克服了傳統(tǒng)模態(tài)分析無法考慮結(jié)構(gòu)非線性因素、無法直接求解結(jié)構(gòu)非線性模態(tài)信息的不足，在無需花費大量計算成本求解結(jié)構(gòu)非線性響應(yīng)的情況下獲得控制舵結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率及模態(tài)阻尼隨模態(tài)幅值的變化規(guī)律，實現(xiàn)控制舵結(jié)構(gòu)非線性熱模態(tài)的高效求解，滿足控制舵結(jié)構(gòu)非線性熱模態(tài)模態(tài)分析需求。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于高速飛行器熱防護(hù)設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種控制舵結(jié)構(gòu)非線性熱模態(tài)分析方法。

背景技術(shù)

控制舵結(jié)構(gòu)是高速飛行器的重要組成部件，其可靠性和結(jié)構(gòu)完整性決定著飛行任務(wù)的成敗。掌握控制舵結(jié)構(gòu)的固有頻率和阻尼比等模態(tài)信息對于控制舵結(jié)構(gòu)的動特性設(shè)計十分關(guān)鍵。由于控制舵結(jié)構(gòu)尺寸一般較大、蒙皮一般較薄，往往具有明顯幾何非線性特點。同時，控制舵軸承等部位的游隙也會引入間隙非線性因素。只有將非線性因素考慮在內(nèi)，才能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測控制舵結(jié)構(gòu)的高溫模態(tài)特性，為設(shè)計提供指導(dǎo)。傳統(tǒng)模態(tài)分析方法無法開展非線性系統(tǒng)的模態(tài)計算，無法考慮非線性因素對控制舵結(jié)構(gòu)模態(tài)特性的影響。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的技術(shù)解決問題：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種控制舵結(jié)構(gòu)非線性熱模態(tài)分析方法，克服了傳統(tǒng)模態(tài)分析無法考慮結(jié)構(gòu)非線性因素、無法直接求解結(jié)構(gòu)非線性模態(tài)信息的問題，在無需花費大量計算成本求解結(jié)構(gòu)非線性響應(yīng)的情況下獲得控制舵結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率及模態(tài)阻尼隨模態(tài)幅值的變化規(guī)律，滿足控制舵結(jié)構(gòu)非線性熱模態(tài)模態(tài)分析需求。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明公開了一種控制舵結(jié)構(gòu)非線性熱模態(tài)分析方法，包括：

步驟1，基于控制舵結(jié)構(gòu)的有限元分析模型，得到減縮后的控制舵質(zhì)量矩陣和減縮后的控制舵剛度矩陣；

步驟2，在模態(tài)空間中，根據(jù)減縮后的控制舵質(zhì)量矩陣和減縮后的控制舵剛度矩陣，構(gòu)建得到控制舵結(jié)構(gòu)減縮后的非線性自由振動微分方程；

步驟3，基于自由振動幅值和非線性項的傅里葉級數(shù)形式，對非線性自由振動微分方程進(jìn)行時頻轉(zhuǎn)換，得到頻域中的非線性特征方程；

步驟4，根據(jù)給定的非線性振動各自由度間的相位關(guān)系，得到非線性特征方程的第一個補(bǔ)充方程；

步驟5，對迭代求解的初值進(jìn)行預(yù)測、修正，并將修正方程作為非線性特征方程的第二個補(bǔ)充方程；

步驟6，利用非線性自由振動微分方程對應(yīng)的線性派生方程，在狀態(tài)空間中求解線性派生方程的復(fù)模態(tài)信息，得到線性派生方程的任意階復(fù)模態(tài)信息；

步驟7，根據(jù)線性派生方程的任意階復(fù)模態(tài)信息，確定用于對非線性特征方程進(jìn)行求解的初始值；

步驟8，根據(jù)非線性模態(tài)幅值向量、模態(tài)頻率、模態(tài)阻尼比，確定時域中的非線性項的表達(dá)式，并對非線性自由振動微分方程進(jìn)行更新；

步驟9，重復(fù)步驟3～步驟8，獲得控制舵結(jié)構(gòu)不同振動水平下的模態(tài)頻率、模態(tài)阻尼比和模態(tài)幅值向量；分別繪制模態(tài)頻率和模態(tài)阻尼比與模態(tài)幅值向量歸一化基準(zhǔn)間的函數(shù)關(guān)系，獲得非線性模態(tài)信息隨模態(tài)幅值的變化規(guī)律。

在上述控制舵結(jié)構(gòu)非線性熱模態(tài)分析方法中，基于控制舵結(jié)構(gòu)的有限元分析模型，得到減縮后的控制舵質(zhì)量矩陣和減縮后的控制舵剛度矩陣，包括：

基于有限元軟件，構(gòu)建得到控制舵結(jié)構(gòu)的有限元分析模型；

根據(jù)控制舵結(jié)構(gòu)的有限元分析模型，開展控制舵結(jié)構(gòu)力熱耦合分析，得到控制舵結(jié)構(gòu)在力、熱載荷作用下的應(yīng)力場；

根據(jù)控制舵結(jié)構(gòu)在力、熱載荷作用下的應(yīng)力場，開展預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析，得到控制舵結(jié)構(gòu)考慮預(yù)應(yīng)力影響的總體質(zhì)量矩陣總體剛度矩陣和模態(tài)振型矩陣

對模態(tài)振型矩陣進(jìn)行截斷，得到截斷振型矩陣Φ；