伸展机构中滑移铰的非线性性态的研究.pdfVIP

伸展机构中滑移铰的非线性性态研究‘ 黄铁球 吴德隆 阎绍泽 张永 (航天工业总公司第一总体设计部) 摘 要 分析了滑移铰的基本特性．采用有限元方法对带骨移铰间隙结构 进,fi-7建模研究．模型中考虑了铰间I．-J隙、内碰撞以及内阻尼、摩擦等因素的影 响．’通过仿真分析了这些因素对结构动力学行为的影响． 关键词滑移铰、碰撞，间隙，有限元 在伸展机构中，活动关节(铰)的大量使用是设计所不可避免的。近年来，大量研究 工作者已逐渐意识到铰间的非线性问题，尽管这种非线性问题研究的难度很大，国内外仍 取得了许多有价值的成果”“．但是必须注意到，这些研究成果绝大部分都集中在旋转铰 的研究上．这主要有两个原因：一是实际伸展机构中较多为旋转铰；二是旋转铰的建模非 常直观，易于编程仿真．但是，在未来国际太空站上拟采用的大型桁架式伸展机构中将大 量出现滑移铰，人们对其动力学行为知之甚少．因此，深人了解和研究这种铰性态对发展 空间技术是很有意义的． 1动力学建模 1．1间隙的物理模型及受力情况分析 滑移铰由两部分组成(图1)：外体(梁1)和内体(梁2)．为了简化问题，我们仅考虑平面 内的运动情况，此时各体均含3个自由度，令其分别为x，y方向平动与平面内的转动疗(相 对惯性系)．即使如此，从图1我们仍可看出，若滑移铰较为柔性铰，则间隙中任何地方 均可能为接触(或碰撞)点，接触机理较为复杂，很难建立有效的数学模型，不利于计算 仿真．又～般外梁刚性较大，因而特假设铰为刚性铰，铰内梁为柔性梁。物体间的受力情 况分析详见文[2】。 图t 滑移铰问隙的物理模型 图2 用弹簧阻尼模拟的问隙模型 。国家。863”航天高技术项目资助课题 1．2间隙的有限元模型及单元剐度 选取节点，外体上0，、D、C点，内体上E，F，1，02点，节点E，F；，与 边之间的间隙元，下同)，0IF，现C和晚D，Dl与，点之间布置一弹簧阻尼元． 以E点为例建立单元0。E的单元刚度。取单元坐标为iljI，单元坐标下单元的位移向 量为{9‘)={H。”。 “☆ Hn}7，丽占与BC边的距离可表示为 万E=5F^；(“母一“。∥+睾)^ (1) 仍分三种情况来讨论单元plF的单元刚度阵与阻尼阵 1．2．I接触但不滑移时 此时，运动关系满足万。≤o，摩擦力与滑移力满足关系式：1．1fR『lBf． 内体E处受 接触力：Fb=一K，艿F^， (2) 摩擦力：．店=一(”b一。，一“E^)KsJl (3) 阻尼力：，岛=一cl占FJl，％2=一c28F^ (4) 其中I／Ep，接触开始时，接触点在单元坐标下沿it方向的位移值． 单元坐标下的单元刚度阵卜‘】和阻尼阵fc‘】为 一Ks 0 0 0 0 一K fl+，吒 --C1一C2 旷 卜 【c‘】； K 0 0 O P．。．．．．．．．．．．．．．．．．．．．。．．．，．．L 磁。≮。 。坼oⅨ O K 一Cl—C2 q+乞 1．22接触且滑移 此时，运动关系满足如so，摩擦力与滑移力满足关系式：∥2靠i≤IB}．内体E 处受接触力和阻尼同情况1．2I，摩擦力为 矗=一厩s伊(虬，一n☆)il (6) ‘ 单元刚度阵f|i}‘】与阻尼阵【c‘】为