结构动力学及其在航天工程中的应用PDF电子书下载

第1章 复杂结构动力学概述 1

1.1 结构动力学研究的基本内容 1

1.2 动态载荷 4

1.3 数学模型 4

1.4 结构动力学试验 7

1.5 航天器动态设计方法 8

1.5.1 航天器力学环境 9

1.5.2 器箭耦合载荷分析 10

1.5.3 器箭载荷分析循环 13

1.5.4 器箭载荷分析循环实例 15

1.6 航天器结构振动与控制系统的耦合 17

第2章 单自由度系统振动 19

2.1 自由振动 19

2.1.1 无阻尼系统的自由振动 20

2.1.2 黏性阻尼系统的自由振动 21

2.1.3 结构阻尼系统的自由振动 26

2.2 简谐激励的响应分析 27

2.2.1 无阻尼系统响应 27

2.2.2 黏性阻尼系统对简谐激励的响应 28

2.2.3 黏性阻尼系统复频响应 29

2.2.4 结构阻尼系统复频响应 32

2.3 周期激励的响应 33

2.4 任意激励的响应时域分析 35

2.4.1 单位脉冲响应 35

2.4.2 杜阿梅尔（Duhamel）积分 36

2.4.3 传递函数 37

2.5 任意激励的响应频域分析 38

2.5.1 任意激励力的傅里叶积分表示法 38

2.5.2 频响函数 39

第3章 连续系统的振动 41

3.1 连续系统与离散系统的关系 41

3.2 杆的纵向振动 44

3.2.1 振动方程 44

3.2.2 固有频率和主振型 45

3.2.3 主振型的正交性 49

3.2.4 强迫振动 51

3.3 梁的横向振动 56

3.3.1 横向振动微分方程 56

3.3.2 固有频率和主振型 57

3.3.3 主振型的正交性 61

3.3.4 梁横向振动的强迫响应 63

3.3.5 固有频率的变分式 68

3.3.6 复杂边界的梁的固有振动 72

3.3.7 轴向力的影响 75

3.3.8 转动惯量与剪切变形的影响 78

3.3.9 梁的双横向耦合振动 82

3.3.10 考虑剪切变形和转动惯性矩影响 84

3.4 板的横向振动 86

3.4.1 板的振动方程 86

3.4.2 矩形板的自由振动 87

3.4.3 固有频率的变分式 90

3.4.4 薄板主振型的正交性 92

3.4.5 薄板的强迫振动 94

3.4.6 圆板的振动 97

3.5 弹性动力学 102

3.5.1 三维弹性体动力学方程 102

3.5.2 自由振动 104

3.5.3 固有频率变分式 104

3.5.4 主振型的正交性 106

3.5.5 响应分析 108

第4章 多自由度系统运动方程 111

4.1 直接法 113

4.1.1 达朗贝尔原理的应用 113

4.1.2 影响系数法 115

4.2 离散系统的拉格朗日方程与哈密顿原理 120

4.2.1 一般情况的拉格朗日方程 120

4.2.2 微幅振动情况 124

4.2.3 哈密顿原理 127

4.2.4 能量原理 130

4.3 连续系统能量泛函变分原理及其近似方法 133

4.3.1 以位移表示的弹性动力学方程 133

4.3.2 瞬时虚位移原理 133

4.3.3 瞬时最小势能原理 134

4.3.4 哈密顿原理 137

4.3.5 连续系统的拉格朗日方程 139

4.3.6 特征值变分式的一般性质 141

4.3.7 固有频率的近似解法 147

4.3.8 假设模态法 162

4.4 有限元法 168

4.4.1 平面杆件系统有限元法求解动力学问题的基本思想 168

4.4.2 平面刚架 176

4.5 方差泛函变分原理与假设模态加权残值法 179

4.5.1 方差泛函零极小值原理 180

4.5.2 最小二乘法 184

4.5.3 广义伽辽金原理 190

4.5.4 加权残值法 200

4.6 差分法 205

4.7 迁移矩阵法 206

第5章 多自由度系统的振动 213

5.1 无阻尼系统的固有频率 214

5.2 标准特征值与广义特征值问题 216

5.2.1 标准特征值问题 216

5.2.2 实对称矩阵的标准特征值问题 220

5.2.3 广义特征值问题 223

5.3 主模态（主振型）的正交性 224

5.3.1 主模态（主振型） 224

5.3.2 主模态的正交性 227

5.3.3 模态矩阵与谱矩阵 229

5.3.4 固有频率相等时的主模态 233

5.3.5 固有频率为零的主模态 237

5.3.6 纯静态位移 245

5.4 无阻尼系统模态坐标解耦方程 246

5.4.1 惯性耦合与弹性耦合 246

5.4.2 坐标变换 248

5.4.3 模态坐标变换 249

5.4.4 一般情况的模态坐标变换 252

5.5 无阻尼系统对初始条件的响应 252

5.6 无阻尼系统对简谐激振的稳态响应 256

5.7 无阻尼系统对任意激振的响应 261

5.7.1 时域分析与系统的单位脉冲响应函数 261

5.7.2 频域分析 263

5.7.3 模态分析的一般步骤 266

5.8 经典黏性阻尼系统振动 266

5.8.1 经典模态方法 266

5.8.2 系统的自由衰减振动 268

5.8.3 系统对简谐激振的响应 270

5.8.4 系统对任意激振的响应 278

5.8.5 频域分析 282

5.9 一般黏性阻尼系统振动——状态空间法 283

5.9.1 复特征值、复特征向量及复模态矩阵 284

5.9.2 复特征向量对于矩阵A和B的正交性 286

5.9.3 复模态坐标变换 290

5.9.4 系统的自由衰减振动 291

5.9.5 系统对简谐激振的响应及频响函数 295

5.9.6 系统对任意激振的响应 296

5.9.7 非对称的M,C,K矩阵情况 299

5.10 一般黏性阻尼系统振动——物理空间法 305

5.10.1 状态空间法存在的问题 305

5.10.2 动力学方程的三种形式 307

5.10.3 复特征值和特征向量 308

5.10.4 预解式法 310

5.10.5 重要的谱展开式 312

5.10.6 正交性补充关系式 314

5.10.7 状态空间解耦方程的补充证明 315

5.10.8 物理空间解耦方程 317

5.10.9 实参数二阶微分解耦方程 318

5.10.10 系统的自由衰减振动 322

5.10.11 系统对任意激励的响应 322

5.10.12 系统对简谐激励的响应与复频响函数 323

5.10.13 采用一般模态法分析经典黏性阻尼系统 326

5.10.14 非对称的M,C,K矩阵情况 331

5.11 一般黏性阻尼系统振动拉普拉斯变换法 337

5.12 具有结构阻尼的多自由度系统振动 343

5.13 直接积分法 345

5.13.1 中心差分法 345

5.13.2 用逐步积分法求解动力响应 347

5.13.3 化为一阶方程组求解动力响应——龙格-库塔方法和基尔方法 353

第6章 实用的结构动力学分析方法 358

6.1 结构动力学问题求解方法 359

6.1.1 采用选定边界模态的结构动力学问题求解方法 359

6.1.2 采用虚拟约束边界模态的结构动力学问题求解方法 363

6.1.3 采用混合模态的结构动力学问题求解方法 368

6.2 模态截断法 370

6.2.1 模态位移法 371

6.2.2 模态加速度法 374

6.2.3 无阻尼系统的高精度方法 378

6.2.4 一般情况无阻尼系统的高精度方法 381

6.3 基础激励结构动力学问题求解新方法 385

6.3.1 模态坐标半解耦方程与模态有效质量 386

6.3.2 主要模态的选取 390

6.3.3 静定边界的模态有效质量矩阵 390

6.4 凝聚法 397

6.4.1 静态凝聚 397

6.4.2 质量凝聚 398

6.4.3 精确动力凝聚 400

6.5 瑞利法与里茨法 405

6.5.1 瑞利法 405

6.5.2 里茨法 409

6.6 矩阵迭代法 414

6.7 子空间迭代法 420

第7章 动态子结构法 426

7.1 引言 426

7.2 约束子结构超单元法 431

7.2.1 静力变换超单元法 432

7.2.2 定频动力变换超单元法 434

7.2.3 精确动力变换超单元法 436

7.3 约束子结构模态综合法 438

7.3.1 赫铁方法 438

7.3.2 克雷格-班普顿方法 443

7.3.3 几种改进的方法 447

7.4 采用约束界面模态的精确动态子结构方法及其近似 452

7.4.1 胡海昌方法 452

7.4.2 采用约束界面模态的精确动态子结构方法 455

7.4.3 采用约束界面模态的高精度模态综合法 459

7.4.4 约束界面模态综合法 464

7.5 自由子结构模态综合法 468

7.5.1 霍方法 468

7.5.2 麦克尼尔、罗宾、克雷格-陈和王文亮的改进方法 472

7.6 采用自由界面模态的精确动态子结构方法及其近似 481

7.6.1 自由界面精确动态子结构方法 481

7.6.2 采用自由界面模态的高精度模态综合法 483

7.7 频响函数矩阵直接综合法 490

7.8 混合界面子结构模态综合法 494

7.8.1 子结构分析 494

7.8.2 系统综合 498

7.8.3 一阶近似混合界面模态综合法 501

7.8.4 混合界面子结构精确综合法与约束子结构和自由子结构综合法的关系 501

7.9 采用混合模态的精确动态子结构方法及其近似 505

7.9.1 采用混合模态的精确动态子结构方法 505

7.9.2 近似的混合模态综合法 515

7.10 小结 522

第8章 随机振动 525

8.1 随机变量与随机过程 526

8.1.1 随机变量 526

8.1.2 随机变量的数字特征 528

8.1.3 几种重要的分布函数 530

8.1.4 随机过程 532

8.2 平稳随机过程的相关函数与功率谱函数 535

8.2.1 自相关函数与自协方差函数 536

8.2.2 互相关函数与互协方差函数 539

8.2.3 自功率谱密度函数 541

8.2.4 互功率谱密度函数 545

8.3 单自由度系统平稳随机响应 546

8.3.1 脉冲响应函数 546

8.3.2 脉冲响应函数和频率响应函数之间的转换 548

8.3.3 系统在时域内的响应 549

8.3.4 系统在频域内的响应 551

8.3.5 平稳随机响应的特性 552

8.4 离散系统平稳随机响应 554

8.4.1 平稳随机响应一般的直接分析方法 554

8.4.2 经典黏性阻尼系统模态叠加法 558

8.4.3 非经典黏性阻尼系统模态对位移叠加法 562

8.5 连续系统平稳随机响应 571

8.5.1 平稳随机响应直接分析方法 571

8.5.2 经典黏性阻尼系统梁的横向振动模态叠加法 575

8.5.3 非经典黏性阻尼系统模态对位移叠加法 580

8.6 结构平稳随机响应的虚拟激励法 585

8.6.1 结构受单点平稳激励的随机响应 585

8.6.2 经典黏性阻尼离散系统模态叠加法 588

8.6.3 非经典黏性阻尼离散系统模态对位移叠加法 589

8.6.4 经典黏性阻尼连续系统模态叠加法 590

8.6.5 非经典黏性阻尼连续系统模态对位移叠加法 591

8.6.6 虚拟激励法与传统算法计算效率的比较 592

8.7 随机振动计算结果的应用 593

8.7.1 首次穿越破坏问题 594

8.7.2 随机疲劳累积损伤问题 595

8.7.3 人体对随机振动的承受能力 596

第9章 运载火箭结构动力学建模技术 597

9.1 国外动力学建模技术研究现状 597

9.1.1 土星Ⅰ火箭 598

9.1.2 土星Ⅴ火箭 598

9.1.3 大力神Ⅲ火箭 599

9.1.4 宇宙神Ⅱ火箭 599

9.1.5 航天飞机 600

9.1.6 阿瑞斯火箭 600

9.1.7 H-Ⅱ火箭 602

9.1.8 阿里安系列火箭 603

9.2 国内动力学建模技术研究现状 604

9.2.1 基于梁模型的火箭建模方法 606

9.2.2 局部三维建模方法 607

9.2.3 三维建模实例 610

9.2.4 整星有限元三维建模实例 615

9.3 基于梁模型的火箭纵横扭一体化建模技术 617

9.3.1 运载火箭动力学模型 617

9.3.2 蒙皮加筋圆柱壳弯曲刚度的等效方法 618

9.3.3 蒙皮加筋圆柱壳扭转刚度的等效方法 621

9.3.4 蒙皮加筋圆柱壳拉压刚度的等效方法 622

9.3.5 火箭结构一体化建模 622

9.3.6 推进剂耦合质量矩阵 628

9.3.7 算例分析 632

9.4 运载火箭三维建模方法 634

9.4.1 硬壳或半硬壳结构建模 635

9.4.2 夹层结构建模 636

9.4.3 发动机架及发动机建模 636

9.4.4 燃料液体建模 637

9.4.5 非结构质量建模 640

9.4.6 连接结构建模 640

9.5 小结 641

第10章 航天飞行器动态响应分析 644

10.1 引言 644

10.2 器箭耦合综合方程 647

10.2.1 超单元法 647

10.2.2 分支混合综合法 648

10.2.3 模态综合法 649

10.2.4 整流罩和卫星约束子结构模态综合法应用实例 650

10.2.5 CZ-2F运载火箭模态综合法响应分析应用实例 653

10.2.6 Ariane-5运载火箭约束子结构模态综合法简介 656

10.2.7 CZ-3B运载火箭星箭耦合载荷分析 657

10.3 采用刚体界面加速度的航天器载荷估计方法 659

10.3.1 用有限元法导出的刚体界面加速度的航天器载荷估计方法 660

10.3.2 用模态综合法导出的刚体界面加速度的航天器载荷估计方法 663

10.4 采用基础激励方法对无阻尼系统进行载荷二次分析 665

10.4.1 约束子结构模态综合法 666

10.4.2 器箭界面综合方程 669

10.4.3 航天器载荷二次分析 671

10.5 采用超单元法对无阻尼系统进行载荷二次分析 674

10.5.1 器箭耦合全箭振动时的航天器振动状态 674

10.5.2 航天器基础激励振动状态 675

10.6 纵向振动响应分析杆模型数值仿真实例 677

10.6.1 再现全箭振动频响函数的航天器基础激励载荷二次分析 677

10.6.2 再现全箭振动响应的航天器基础激励载荷二次分析 681

10.7 横向振动响应分析数值仿真实例 684

10.7.1 地面振动试验仿真计算模型 684

10.7.2 地面振动试验仿真计算 686

10.7.3 星箭升空过程仿真计算 686

10.7.4 补充角运动条件的地面振动仿真计算 688

10.8 星箭界面环境与振动试验条件等效性分析 690

10.8.1 CZ-2F船箭界面环境与振动试验条件分析 691

10.8.2 飞船在振动台上振动试验响应分析 693

10.8.3 结果对比分析 694

10.9 小结 697

第11章 动态试验技术 701

11.1 全箭模态试验技术 701

11.1.1 试验原理 701

11.1.2 试验系统 705

11.1.3 试验技术 708

11.1.4 试验仿真分析技术 709

11.2 振动试验技术 710

11.2.1 振动环境 711

11.2.2 振动环境模拟 711

11.2.3 振动试验系统 715

11.2.4 试验技术 721

11.3 多维振动试验技术 722

11.3.1 试验原理 723

11.3.2 试验系统 727

11.3.3 试验技术 729

11.3.4 多维振动试验技术的应用 736

第12章 动态试验仿真技术 737

12.1 动态试验仿真技术研究的必要性 737

12.1.1 复杂结构动力学分析结果精度不能完全满足设计要求 737

12.1.2 航天器全尺寸地面动态试验不能完全满足设计技术的要求 741

12.1.3 航天器结构动态试验仿真技术 743

12.2 复杂结构模型修改技术 744

12.2.1 数学模型修改技术研究的重要性 744

12.2.2 试验与分析数据相关性研究 745

12.2.3 数学模型误差定位 747

12.2.4 数学模型修改方法 748

12.2.5 数学模型修改方法的局限性 750

12.2.6 复杂结构模型修改技术 752

12.3 模态试验仿真技术 754

12.3.1 子结构试验建模综合技术 755

12.3.2 CZ-2E运载火箭全箭模态试验仿真预示 755

12.3.3 CZ-2F运载火箭全箭模态试验仿真 757

12.4 振动台试验仿真技术 759

12.4.1 振动台振动试验仿真技术研究 759

12.4.2 有限元数学模型修改 763

12.4.3 台面控制振动台试验的计算机仿真技术的实现 767

12.4.4 20t振动台空台试验仿真 770

12.4.5 40t振动台空台振动试验仿真系统 771

12.4.6 D卫星振动台振动试验仿真技术 771

12.5 全尺寸航天器振动台多维振动试验天地一致性研究 775

12.5.1 全尺寸航天器多维振动台试验系统响应分析 777

12.5.2 全尺寸航天器多维振动台试验一般系统响应的仿真分析 781

12.5.3 纵向振动航天器杆模型振动台振动试验的响应仿真分析实例 783

12.6 小结 791

参考文献 795