含增强型主动约束层阻尼FGM旋转梁的热致振动及振动控制

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许多作大范围运动的柔性航天元件包括太阳能帆板、空间机械臂等都可以看做刚-柔耦合动力学结构,其物理模型可以简化为既能描述刚体的大范围运动又能描述柔性部件变形的中心刚体-旋转梁模型。这类大柔性结构一旦产生振动,需要较长时间才能停止,而这些问题给航天工作带来巨额的成本,因此大挠度空间机械臂振动问题吸引了大量学者对此进行研究。考虑到这类结构常常暴露于高温中,分布不均的温度场所引起的热应力会使构件发生变形甚至损坏,进而影响系统动力学特性。为了满足实际的工作需求,先进复合材料已经被广泛应用于航空航天领域,因此有必要对包含先进复合材料的空间柔性机械臂系统的多物理场动力学建模理论开展深入研究。本文为了研究空间柔性机械臂容易发生热致振动的问题,将空间柔性机械臂简化为中心刚体-旋转梁模型,在柔性梁表面部分覆盖增强型主动约束层阻尼(包括粘弹性阻尼层和压电约束层),其中,边端元体被等效的建模为弹簧刚度和质量块,基梁为适用于温度场的功能梯度材料(FGM)梁,基于以上条件研究了系统受热载荷冲击作用下的振动控制问题。本文考虑了FGM材料特性沿轴向或厚度方向呈梯度分布两种情况,推导了结构在两种梯度分布下温度分布的表达式,然后基于刚-柔耦合动力学建模理论对温度场中的旋转功能梯度梁进行动力学建模;根据第二类拉格朗日方程推导出动力学方程,然后使用MATLAB编写动力学程序,并用ABAQUS数值仿真软件对本文模型进行建模,验证本文模型的精确度;对本文模型进行振动分析,得到了复合梁的各阶模态振型,对振动收敛性进行了分析;最后采用数值分析方法详细研究了增强主动约束层阻尼贴片位置和覆盖率,控制增益,边端元体质量、等效弹簧刚度,温度,模型宽度以及中心刚体半径等相关参数对结构末端变形的影响,经过对比找到了对结构振动影响比较大的几个因素包括控制增益、粘弹性材料层厚度、温度等,可根据研究结果对结构进行优化,从而达到振动抑制的目的。
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