含铰桁架结构动态特性分析及其非线性恢复力识别

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随着载人航天、探月工程等航天任务的开展,航天科技日新月异,航天结构趋于大型化、柔性化和高精度化。空间可展结构具有展开精度高、质量轻、强度高等优点,在航天领域得到广泛的应用。运载技术的限制对可展机构提出了大折展比的要求,导致机构中含有大量的铰链。含铰桁架结构是空间可展开结构中研究最早、应用最为广泛的一维空间可展结构。本文对含铰桁架结构动力学特性进行了研究,主要包括了以下几个方面的内容:首先,通过模态试验分析了试验条件对桁架结构的模态参数的影响。简单介绍了含铰桁架结构的组成及其基本参数,采用锤击法对含铰桁架结构进行试验模态分析,得到结构低阶模态参数和振型。通过改变自由-自由边界条件,分析了悬挂条件和拾振点位置对模态试验结果的影响,为大型可展结构地面模态试验提供参考。针对悬挂方式模拟自由-自由边界条件会引入附加刚度的问题,提出了基于Sherman-MorrisonWoodbury(SMW)公式的附加刚度消除法,通过数值仿真和模态试验对该方法进行了验证。其次,通过对桁架结构开展静力学试验获取了结构的拉压和扭转刚度,并与仿真结果进行对比,基于仿真结果建立了桁架结构等效梁动力学模型。根据桁架结构的特点,设计了桁架拉伸夹具,采用拉伸试验机进行拉伸试验,通过数据拟合得到结构拉伸刚度;对桁架结构进行简化,采用桁架单框四分之一结构进行压缩试验,获取了桁架结构压缩刚度;针对桁架单框结构特点设计了扭转夹具,采用扭转试验机进行扭转试验,获得了单框结构扭转刚度。将静力学试验测得的拉伸、压缩和扭转刚度与仿真结果进行了对比。利用仿真得到的结果,建立了桁架结构平面等效欧拉-伯努利梁动力学模型,并与仿真和试验固有频率进行对比,验证了动力学模型的准确性。最后,对含铰桁架结构进行动力学试验,利用时域内的系统响应信号,建立了系统的恢复力曲面,并通过截面法辨识出了系统参数。针对桁架结构设计了试验方案,采用动力学试验获取了结构时域内的加速度、位移和外激励信号,通过对位移信号微分得到了速度响应信号。通过位移-恢复力关系分析了系统刚度随外激励水平等因素的变化规律。随着激励频率的提高,系统刚度表现出明显的非线性特征。综合实验数据拟合得到了系统的非线性恢复力曲面,采用截面法拟合得到了系统的刚度和阻尼,为研究铰链结构的非线性特性提供了参考。
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