结构动力学应用

1、 当地时间当地时间1010月月2828日日美国轨道科学公司向国际空间站美国轨道科学公司向国际空间站发射发射“天鹅座天鹅座”无人货运飞船无人货运飞船, ,运载火箭起飞运载火箭起飞6 6秒后爆炸。秒后爆炸。结构动力学分析工程应用结构动力学分析工程应用简单简单介绍介绍 随着形形色色飞行器的出现，动力固有特性分析也出现许多随着形形色色飞行器的出现，动力固有特性分析也出现许多特殊的问题。例如，火箭、导弹虽然基本上近似一个特殊的问题。例如，火箭、导弹虽然基本上近似一个一一维梁系统，维梁系统，但它们往往存在着级间连接与数目较多的分离面但它们往往存在着级间连接与数目较多的分离面(接头接头),这使得结这使得结构

2、的刚度分布、阻尼分布发生变化，给固有特性的精确分析带来构的刚度分布、阻尼分布发生变化，给固有特性的精确分析带来困难；大型液体燃料火箭广泛存在着液体晃动问题，它对固有特困难；大型液体燃料火箭广泛存在着液体晃动问题，它对固有特性有不可忽视的影响；人造卫星经常采用自旋稳定方案，并安装性有不可忽视的影响；人造卫星经常采用自旋稳定方案，并安装有柔度很大的附件，如太阳能帆板、天线等，构成具有转动的刚有柔度很大的附件，如太阳能帆板、天线等，构成具有转动的刚体及柔性体的复合结构，使它的固有特性分析更加复杂化。体及柔性体的复合结构，使它的固有特性分析更加复杂化。一、一、 飞行器分离面（接头）对固有特性的影响飞行

3、器分离面（接头）对固有特性的影响 大部分火箭、导弹类型的飞行器都具有较多的接头，它们使全弹大部分火箭、导弹类型的飞行器都具有较多的接头，它们使全弹的刚度分布发生局部扰动，如图所示。的刚度分布发生局部扰动，如图所示。一、一、 飞行器分离面（接头）对固有特性的影响飞行器分离面（接头）对固有特性的影响12112%KKKKKK 为无接头时一阶 振型广义刚度 为有接头时一阶 振型广义刚度接头使刚度损失可达接头使刚度损失可达 (3040)%,如表如表一、一、 飞行器分离面（接头）对固有特性的影响飞行器分离面（接头）对固有特性的影响对弹体固有特性的影响对弹体固有特性的影响1.1.使全弹的固有频率下降使全弹的

4、固有频率下降 由于接头削弱了附近弹体的刚度，同时接头处往往存在空隙，因而它由于接头削弱了附近弹体的刚度，同时接头处往往存在空隙，因而它们都使全弹的固有频率降低。影响程度与接头的数量、类型、位置相关。们都使全弹的固有频率降低。影响程度与接头的数量、类型、位置相关。下表下表中列举了一些导弹的一阶频率由于接头而引起的下降情况。中列举了一些导弹的一阶频率由于接头而引起的下降情况。一、一、 飞行器分离面（接头）对固有特性的影响飞行器分离面（接头）对固有特性的影响对弹体固有特性的影响对弹体固有特性的影响2.2.使全弹的振动发生畸形使全弹的振动发生畸形 接头的存在，改变了刚度分布，必然使振型形状、接头的存在

5、，改变了刚度分布，必然使振型形状、节点节点位置发生变化。在控位置发生变化。在控制系统的设计中节点位置是个重要参数，所以，为了精确确定振型，必须考虑接制系统的设计中节点位置是个重要参数，所以，为了精确确定振型，必须考虑接头的响应。图头的响应。图8-2所示为某弹前三阶振型受接头影响的变换情况。所示为某弹前三阶振型受接头影响的变换情况。（1）（2）（3） 图中图中x为弹体轴向坐标，坐标原点设在弹体头部理论顶点，为弹体轴向坐标，坐标原点设在弹体头部理论顶点， 为振型幅为振型幅值。应当注意，同样的接头，所处的位置不同影响也不同。一般来讲，在导值。应当注意，同样的接头，所处的位置不同影响也不同。一般来讲，

6、在导弹弹体中部的接头影响更加突出。弹弹体中部的接头影响更加突出。问题的特点问题的特点二、二、 贮箱内液体晃动对固有特性的影响贮箱内液体晃动对固有特性的影响晃动频率及晃动激烈程度均与下列因素有关：晃动频率及晃动激烈程度均与下列因素有关：容器形状；容器形状；推进器性质；推进器性质；阻尼隔板设置情况；阻尼隔板设置情况；推进剂液面高度；推进剂液面高度；加速度场的情况。加速度场的情况。 在飞行过程中，随着燃料不断燃烧，推进剂液面情况不断发生变化，从而对系统固在飞行过程中，随着燃料不断燃烧，推进剂液面情况不断发生变化，从而对系统固有特性的影响也随之变化。这是本问题的主要特点。一般说来，为了掌握整个飞行过程

7、有特性的影响也随之变化。这是本问题的主要特点。一般说来，为了掌握整个飞行过程的固有特性情况，就要分析各个不同的推进剂燃烧阶段的频率与振型。的固有特性情况，就要分析各个不同的推进剂燃烧阶段的频率与振型。 另外一个特点是，一般只需考虑低阶情况，特别是一阶情况。因为经研究指出，对于另外一个特点是，一般只需考虑低阶情况，特别是一阶情况。因为经研究指出，对于圆柱壳体，二阶晃动质量仅为一阶晃动质量的圆柱壳体，二阶晃动质量仅为一阶晃动质量的3，而且在高阶情况下液体内部将产生紊，而且在高阶情况下液体内部将产生紊乱的扰动，使阻尼激增，故二阶以上可不予考虑。乱的扰动，使阻尼激增，故二阶以上可不予考虑。推进剂晃动频

8、率的确定推进剂晃动频率的确定二、二、 贮箱内液体晃动对固有特性的影响贮箱内液体晃动对固有特性的影响 工程上常采用当量变换的方法，在对壳体壁作用的力与力矩相等、频率相当的条件下，将工程上常采用当量变换的方法，在对壳体壁作用的力与力矩相等、频率相当的条件下，将液体晃动模型等价代换为机械力学模型。一旦建立了当量机械模型，对于各种飞行器的液体晃液体晃动模型等价代换为机械力学模型。一旦建立了当量机械模型，对于各种飞行器的液体晃动问题，可根据它们的液体参量、飞行状态参量、飞行器参量很容易地确定出当量机械模型参动问题，可根据它们的液体参量、飞行状态参量、飞行器参量很容易地确定出当量机械模型参量，从而确定出晃

9、动频率。一般采用的液体侧向晃动当量机械模型有两种。量，从而确定出晃动频率。一般采用的液体侧向晃动当量机械模型有两种。1.1.弹簧质量模型弹簧质量模型 根据壳体半径及液面高度，可按流体动力根据壳体半径及液面高度，可按流体动力学分析导得的当量公式确定贮箱中液体固定质学分析导得的当量公式确定贮箱中液体固定质量量m0、晃动质量、晃动质量m1。晃动质量的运动受到弹。晃动质量的运动受到弹簧与阻尼器的约束，其模型如图簧与阻尼器的约束，其模型如图8-10所示。所示。 模型中阻尼系数模型中阻尼系数C、弹簧刚度、弹簧刚度K1都按流体都按流体动力学导得的当量公式确定。当阻尼较小时，动力学导得的当量公式确定。当阻尼较

10、小时，阻尼的作用可以忽略。阻尼的作用可以忽略。1/2K/2c1m0m推进剂晃动频率的确定推进剂晃动频率的确定二、二、 贮箱内液体晃动对固有特性的影响贮箱内液体晃动对固有特性的影响2.2.自由摆模型自由摆模型 从晃动的物理现象来看，将它等价为一个当量摆是无可非议的。此模型如图从晃动的物理现象来看，将它等价为一个当量摆是无可非议的。此模型如图8-11所示。所示。其中其中 等参量也是由流体动力学分析得到的当量公式来确定。等参量也是由流体动力学分析得到的当量公式来确定。10101, ,iTm m l ll 进行这种模型代换后，液体晃动问题的处理就与结构系统的其它部件的处理方式完进行这种模型代换后，液体

11、晃动问题的处理就与结构系统的其它部件的处理方式完全相同。考虑到将它们并入全系统模型的方便性，在飞行器动态分析中更习惯与采用弹全相同。考虑到将它们并入全系统模型的方便性，在飞行器动态分析中更习惯与采用弹簧质量模型。由两种模型均取一个运动质量点簧质量模型。由两种模型均取一个运动质量点 m1 可知，模型中值考虑晃动的一阶模态。可知，模型中值考虑晃动的一阶模态。oilrl11l1m0m并入全系统动态分析的两种方式并入全系统动态分析的两种方式二、二、 贮箱内液体晃动对固有特性的影响贮箱内液体晃动对固有特性的影响液体晃动的动态特征引入全系统的方式有以下两种。液体晃动的动态特征引入全系统的方式有以下两种。

12、(1) 将它从基本模型中分离出来，单独拟定模型，导出其刚度、阻尼、惯性的等特性将它从基本模型中分离出来，单独拟定模型，导出其刚度、阻尼、惯性的等特性参量，然后以独立的广义坐标耦合到总系统中去构成总运动方程，联立求解。这样求解参量，然后以独立的广义坐标耦合到总系统中去构成总运动方程，联立求解。这样求解的优点是，可以形象地看到晃动的液体在整个系统动态特性中的地位与作用。的优点是，可以形象地看到晃动的液体在整个系统动态特性中的地位与作用。 (2) 将晃动液体的质量特性、刚度特性直接并将晃动液体的质量特性、刚度特性直接并入全系统模型对应位置上，如图入全系统模型对应位置上，如图8-12所示。对于流所示。

13、对于流体晃动的影响，则在总系统中增加一个分支系统体晃动的影响，则在总系统中增加一个分支系统反映。这种考虑方式简单，但较为粗糙。有飞行反映。这种考虑方式简单，但较为粗糙。有飞行器在动态分析时，初始阶段采用此法处理，在最器在动态分析时，初始阶段采用此法处理，在最后分析阶段则改用第一种方式处理。后分析阶段则改用第一种方式处理。“土星土星V”发发射器就经历了这一过程。射器就经历了这一过程。并入全系统动态分析的两种方式并入全系统动态分析的两种方式二、二、 贮箱内液体晃动对固有特性的影响贮箱内液体晃动对固有特性的影响 关于晃动液体对全系统动态固有特性的影响，其处理方法虽然基本上可以关于晃动液体对全系统动态

14、固有特性的影响，其处理方法虽然基本上可以满足工程需求，但是，由于液体的晃动而使结构固有特性频带变宽，增加了发满足工程需求，但是，由于液体的晃动而使结构固有特性频带变宽，增加了发生耦合振动的可能性；另外，它提供了一个激励源，是导致系统动态失稳的渠生耦合振动的可能性；另外，它提供了一个激励源，是导致系统动态失稳的渠道之一；同时，由于燃料量在整个飞行器中不断变化，从而使全系统固有频率道之一；同时，由于燃料量在整个飞行器中不断变化，从而使全系统固有频率与振型都成为与振型都成为时间的变化量；这些都给动力设计带来了附加困难。为此，时间的变化量；这些都给动力设计带来了附加困难。为此，工程工程上往往采用结构措

15、施（如设计阻尼挡板，采用集束式贮箱）或系统化措施（燃上往往采用结构措施（如设计阻尼挡板，采用集束式贮箱）或系统化措施（燃料按程序转移，燃烧次序化等），尽量降低液体晃动所产生的动力影响。料按程序转移，燃烧次序化等），尽量降低液体晃动所产生的动力影响。三、 举例说明： 8HZ 8HZ振动现象从杨利伟的不适改起从杨利伟的不适改起20032003年年1010月，航天员杨利伟搭乘月，航天员杨利伟搭乘“神舟五号神舟五号”升空时，曾在一升空时，曾在一个短暂的时间内感到非常不适。长二个短暂的时间内感到非常不适。长二F F火箭研制人员在了解到这一情火箭研制人员在了解到这一情况后，立即分析数据查找原因。数据分析显

16、示，火箭在上升期间曾出况后，立即分析数据查找原因。数据分析显示，火箭在上升期间曾出现过短暂的现过短暂的共振现象共振现象。为此研制人员对发射。为此研制人员对发射“神舟六号神舟六号”飞船的长二飞船的长二F F火箭进行了改进。火箭进行了改进。“神六神六”上的航天员没有产生特别的不适感，但上的航天员没有产生特别的不适感，但技术人员通过对遥测数据的分析，发现火箭从起飞技术人员通过对遥测数据的分析，发现火箭从起飞126126秒开始还是出秒开始还是出现了逐渐增大的纵向单频振动，频率约为现了逐渐增大的纵向单频振动，频率约为8Hz (8Hz (以下称为以下称为“8Hz”8Hz”振振动动) )。如果这一问题不解决，。如果这一问题不解决，“神七神七”上的航天员还有可能产生像杨上的航天员还有可能产生像杨利伟那样的感觉。因此，火箭系统利伟那样的感觉。因此，火箭系统“两总两总”系统决心在发射系统决心在发射“神七神七”的火箭上解决这一问题。的火箭上解决这一问题。经过进一步分析，研制人员发现经过进一步分析，研制人员发现“8Hz8Hz振动振动”现象是助现象是助推器动力输送系统导致的比较典型的纵向耦合振动。火箭推器动力输送系统导致的比较典型的纵向耦合振动。火箭“两总两总”组织研制人员对组织研制人员对“8Hz”8Hz”问题进行了深入的理论问题进行了深入的理论研究。为抑制这一现象，开展了稳定性分析方法研究