类梁桁架结构的保几何非线性模型降阶
作者单位：哈尔滨工业大学航天学院
会议名称：《第十九届全国非线性振动暨第十六届全国非线性动力学和运动稳定性学术会议（NVND2023）》
会议日期：2023年
学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术]
关 键 词：空间桁架结构 几何非线性 参考节点坐标法 模型降阶 模态导数
摘 要：桁架式空间结构因具有比刚度大、收纳率高等优点而被广泛应用于航天工程领域。为了减少发射重量,大型空间桁架结构往往具有轻量化的特征,结构变形的几何非线性特征非常显著。为满足大型空间结构动力学分析的高精度、高可靠性要求,其有限元模型往往具有非常高的自由度,不仅计算成本高昂,而且不适合用来设计控制器。因此,发展大型空间桁架结构的模型降阶方法,确保降阶模型的准确性和高效性,对于大型桁架结构的非线性动力学机理分析和控制律设计具有重要意义。传统的模型降阶方法大多只适用于小变形线性结构,而对几何非线性比较强的柔性结构效果不佳。本文基于参考节点坐标方法,提出一种保持结构几何非线性特征的模型降阶方法。将大型结构在其参考坐标系下的大量节点坐标,用其在平衡工况下的少数振动模态和模态导数表示出来,可以简单地实现模型降阶的目的。在降阶模型中,结构的非线性弹性力可以显式地表达为模态坐标的三次多项式,对应的常系数矩阵可以提前得到,能够进一步提升计算效率。这一减缩过程完全保持了结构的主要几何非线性特征,能够在保证计算精度的同时极大地减小模型的自由度,为数字孪生、远程操作等具体工程应用提供保证。