刚柔耦合系统分析动力学建模研究

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航天器大部分都是刚柔耦合系统,由于其刚柔耦合效应的存在,会对航天器的动力学特性和行为造成很大的影响,带来动力学建模和运动控制上的难题。假若能对带有柔性构件的刚柔耦合航天器进行精准的动力学建模,并且充分地考虑到刚柔耦合效应对航天器结构动力学造成的干扰和影响,将有利于对航天器结构动力学进行全局的把握。因此,开展对刚柔耦合系统动力学建模的研究具有一定的现实意义以及理论价值。本文首先简单归纳了各个领域中的刚柔耦合系统动力学建模的学术研究成果,大部分的研究成果都集中在航天领域,并且各国学者们都在努力寻求能够精准反映刚柔耦系统动力学特性和行为的数学模型。而对刚柔耦合系统的研究可以先从单刚柔耦合体开始,只有把单刚柔耦合体的动力学建模研究透彻,才能为刚柔耦合系统的动力学建模研究打下坚实的基础。为了对刚柔耦合系统中存在的动力刚化现象进行分析,作者用三种不同的方法对一简单连杆柔性机构进行了动力学方程的推导并进行了简单的仿真(Matlab/Simulink),涵盖了笛卡尔直角坐标系、角坐标系、广义坐标和能量原理等方法。通过理论推导和仿真分析揭示了动力刚化项的物理意义,并得出了用广义坐标和分析力学的方法对刚柔耦合系统进行动力学建模会有较强的普适性和精确性。作者运用了分析动力学中的Kane方程,对挠性航天器(单刚柔耦合体)的两种简化模型:刚性主体加悬臂梁式以及刚性主体加悬臂板式模型,建立起了一次近似动力学方程,并对两种模型在刚性主体采用加速度旋转规律进行运动的情况进行了简单的仿真分析(Matlab/Simulink)。仿真结果表明用Kane方程推导得到的刚柔耦合系统的动力学方程与真实情况是大致符合的,并且表明了动力刚度项的存在对动力学方程的影响。作者然后运用分析动力学中泛函分析的方法,对刚柔耦合系统(单刚柔耦合体)拟哈密顿原理动力学方程以及单刚柔耦合体拟哈密顿原理的拟驻值条件和先决条件进行了推导。通过应用拟驻值条件和先决条件对导弹实例进行研究,揭示了刚柔耦合系统弹性变形和刚体位移之间相互耦合的物理意义,得到了导弹的动力学方程组在特定情况下可以简化成杆纵向振动以及空间自由梁动力学方程的结论。
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