基于模态综合法的间隙非线性系统建模及动态特性分析

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随着高速大容量电子计算机及有限元分析软件的发展,有限元建模逐渐成为解决结构动力学问题的一种有效的数值分析方法,并广泛应用于航空航天、机械、土木等工程领域。然而,对于使用了大量非线性连接元件的复杂结构系统而言,仅基于有限元方法难以对系统进行准确高效的建模与分析。连接界面存在间隙是导致结构产生非线性行为的重要原因之一。间隙非线性的存在势必会改变结构的刚度特性,进而对结构的动态特性产生重要影响。本文以间隙非线性系统建模及动态特性分析为研究内容,综合利用有限元建模、模态综合法和模型修正进行研究,以求为工程实际中间隙非线性系统动力学特性分析提供理论依据和技术支持,主要工作包括以下几个方面:(1)介绍含间隙非线性系统的研究背景与意义、模态综合法的研究现状以及结构动力学模型修正方法,在此基础上指出基于模态综合法开展含间隙非线性系统建模及动态特性分析的必要性。(2)对基于双协调自由界面模态综合法的模型降阶理论进行详细阐述。介绍有无刚体模态的子结构剩余模态求解方法。针对不同的连接界面(刚性连接界面,弹性连接界面,刚弹混合连接界面)情况分别进行介绍,同时对考虑外激励作用和非线性连接边界的系统整体动力学方程进行讨论。(3)建立悬臂板的有限元模型,采用模态综合法对悬臂板的有限元模型进行降阶得到悬臂板子结构模型。通过与有限元模型对比线性情况下的模态参数和时域响应,检验子结构模型的精度。进一步建立含间隙非线性悬臂板的子结构模型,分别基于时域响应和扫频曲线分析结构的非线性动力学特性,验证双协调自由界面模态综合法在间隙非线性系统建模中的可行性。(4)建立外伸梁的有限元模型,采用模态综合法对外伸梁的有限元模型进行降阶,进而通过模型修正得到连接边界处的间隙非线性连接刚度,完成含间隙外伸梁的非线性动力学模型建立,并基于所建立的非线性动力学模型分析外伸梁的非线性动态特性。(5)建立折叠舵面的有限元模型,采用模态综合法对折叠舵面的有限元模型进行降阶,进而通过模型修正得到连接界面处的间隙非线性连接刚度,完成含间隙折叠舵面的非线性动力学模型建立,并基于所建立的非线性动力学模型分析折叠舵面的非线性动态特性。
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