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大型空间结构的热诱发振动是人类开展航天活动所面临的一个现实问题。针对大型空间结构的特点,本文从以下几方面发展了一些高效可靠的研究方法,并将这些方法应用于实际空间结构的热-结构动力响应及其运动稳定性的分析中:1、为分析以闭口薄壁管件为基本构件的空间结构的温度场,本文采用Fourier-有限元法,求解了辐射换热条件下、包括管件截面平均温度和代表沿截面温差的摄动温度的结构瞬态温度场。为给出复杂结构的热特征时间,本文利用Lanczos方法将摄动温度节点温度矢量变换到Lanczos空间,方便地求出了结构热特征时间。空间结构的柔性大,其变形往往大到足以改变加热条件,从而导致结构温度场变化。本文推导了热载荷关于节点位移的函数列式,导出了耦合矩阵从而得到耦合结构变形的热传导方程。
2、发展了忽略结构变形对加热条件影响的热-结构动力学非耦合的有限元分析方法。根据独立于结构变形的温度场得到动力学问题的等效温度载荷,再由有限元法和模态叠加法求解了结构动力响应。通过将问题化为一个准静态问题与一个动力学问题的叠加,分析了热诱发振动的机理。在此基础上,分析了结构发生热诱发振动的必要条件,它取决于结构固有频率和热特征时间。算例分析证明了本文发展的热-结构动力学非耦合分析方法及热诱发振动必要条件的可靠性。
3、对于加热条件受结构变形影响的情况,发展了热-结构动力学耦合的有限元分析方法。联立耦合结构变形的热传导方程和以结构热应变为动载荷的动力学方程,通过时间积分法混合迭代求解了热-结构动力响应。
4、分析了热颤振的物理机理,通过热-结构动力学耦合系统方程解释了结构发生稳定或不稳定的热诱发振动的原因。将空间结构热诱发振动的稳定性归结为热-结构动力学耦合系统的平衡态稳定性,根据线性化的系统扰动方程特征根的分布状况推断了耦合系统的运动稳定性。
5、大量实例分析表明,本文发展的热-结构动力学非耦合/耦合分析方法可用于复杂结构和加热条件下的热-结构动力响应计算,由热诱发振动的必要条件可对热诱发振动对空间结构的影响进行估计。对于太空环境下的空间结构,可用本文发展的运动稳定性分析方法对其热诱发振动的稳定性进行分析。