第1章 绪论 1
1.1 航天器简介 1
1.1.1 航天器的分类 1
1.1.2 卫星 3
1.1.3 空间探测器 11
1.1.4 无人货运飞船 16
1.1.5 载人航天器 17
1.2 挠性航天器的概念 19
1.2.1 相关概念定义 19
1.2.2 刚性航天器与挠性航天器 20
1.3 太阳能电池片、太阳能电池阵、太阳能电池阵结构 21
1.3.1 航天器能源 21
1.3.2 太阳能电池片 22
1.3.3 太阳能电池阵 25
1.3.4 太阳能电池阵结构的概念 25
1.3.5 贴身式太阳能电池阵结构 27
1.3.6 对称式太阳能电池帆板 29
1.3.7 非对称式太阳能电池翼 36
1.3.8 组合式太阳能电池翼 38
1.3.9 新型太阳能电池阵结构 39
1.4 挠性航天器结构动力学问题 51
1.4.1 挠性航天器典型事故及事故分析 51
1.4.2 结构的特殊性带来的问题 54
1.4.3 太空环境的特殊性带来的问题 54
1.4.4 航天器运动干扰带来的问题 57
1.4.5 面临的挑战 57
1.4.6 挠性航天器结构动力学分析相关问题 59
1.5 本书焦点 61
1.5.1 研究对象 61
1.5.2 研究任务 61
参考文献 62
第2章 挠性航天器太阳能电池翼构型分析及其简化模型 68
2.1 引言 68
2.2 太阳能电池翼构型分析 68
2.2.1 太阳能电池翼主要的结构形状 68
2.2.2 太阳能电池翼结构的共性 70
2.2.3 太阳能电池翼结构的个性 71
2.2.4 太阳能电池翼连接部件的结构特点分析 73
2.3 太阳能电池翼结构的类型 75
2.3.1 分类原则 75
2.3.2 挠性系数 75
2.3.3 挠性定义 75
2.3.4 挠性帆板的分类 76
2.4 常用太阳能电池翼结构的简化模型 77
2.4.1 悬臂梁模型 77
2.4.2 悬臂板模型 77
2.4.3 刚柔耦合模型 79
2.4.4 带刚性边框的挠性帆板模型 80
2.4.5 半刚性电池翼模型 81
2.4.6 帆板部件模型 83
2.5 小结 85
第3章 挠性结构相关力学基本问题及基础理论 86
3.1 引言 86
3.2 固体力学的基本概念 86
3.2.1 强度问题 86
3.2.2 刚度问题 89
3.2.3 稳定性问题 89
3.2.4 本构关系 89
3.2.5 边界条件 90
3.3 固体力学基本方程 90
3.3.1 平衡方程 90
3.3.2 几何方程 92
3.3.3 物理方程 93
3.3.4 弹性力学基本方程的矩阵表示 93
3.4 结构动力学的基本理论 97
3.4.1 结构的动力学特性 97
3.4.2 结构动力学基本方程 97
3.4.3 结构动力学特征值问题——微分方程的齐次解 101
3.4.4 结构动力学动力响应问题——微分方程的非齐次解 102
3.5 求解固体力学问题的有限单元法基本理论与方法 103
3.5.1 有限元法的基本思路 103
3.5.2 单元的位移、应变与应力 104
3.5.3 刚度矩阵、质量矩阵、结点力向量 112
3.5.4 有限元推导结构动力学方程的基本思路 123
3.6 结构动力学系统的基本特性 129
3.6.1 固有频率与固有模态的特性 129
3.6.2 展开定理 131
3.6.3 特征值的有序性 132
3.6.4 特征值的隔离定理 133
参考文献 134
第4章 太阳能电池翼基本构件和单元的结构动力学模型 135
4.1 引言 135
4.2 常见基本构件的结构动力学解析模型 135
4.2.1 弦的振动 135
4.2.2 薄膜的振动 139
4.2.3 薄板的振动 141
4.2.4 计算板横向振动的近似方法 152
4.2.5 圆板的横向振动 154
4.2.6 杆的纵向振动 160
4.2.7 杆的扭转振动 161
4.2.8 杆的横向振动 163
4.3 常见基本构件的结构动力学有限元模型 171
4.3.1 纵向振动杆单元 171
4.3.2 横向振动梁单元 172
4.3.3 扭转振动杆单元 174
4.3.4 空间梁单元 175
4.3.5 板单元 178
4.3.6 连接单元 183
参考文献 188
第5章 一般矩形结构太阳能帆板结构动力学特性分析 189
5.1 引言 189
5.2 矩形太阳能帆板结构特点分析 189
5.3 矩形帆板模态分析的数学模型 191
5.3.1 解析模型 191
5.3.2 半解析模型 193
5.3.3 有限元模型 197
5.4 太阳能帆板展开状态整体有限元模型 199
5.4.1 帆板结构展开状态 199
5.4.2 帆板展开状态有限元模型 199
5.4.3 基板连接件连续条件处理 201
5.4.4 帆板部件的有限元模型 202
5.4.5 部件单元的有限元划分 203
5.5 数值计算及结果分析 205
5.5.1 基板模态 205
5.5.2 连接结构对结构系统动力学特性的影响 205
5.5.3 基板刚度和偏心对结构系统动力学特性的影响 206
5.5.4 基板振型图 206
5.5.5 结果分析 214
5.6 小结 215
参考文献 216
第6章 圆形太阳能帆板力学特性分析 217
6.1 引言 217
6.2 模型简化 218
6.2.1 物理模型 218
6.2.2 基本假设 220
6.2.3 构型分析及模型简化 220
6.2.4 圆形帆板的参数分析 220
6.3 数学模型 223
6.4 静力学问题数值仿真分析 225
6.4.1 有限元离散 225
6.4.2 薄膜单元、各向同性、有张力展开状态线性静力学分析 225
6.4.3 薄膜单元、正交异性、有张力展开状态静力学计算 227
6.4.4 薄膜单元、各向同性、温度载荷下的静力学计算 228
6.4.5 薄膜单元、正交异性、温度载荷下的静力学计算 229
6.4.6 薄板单元、各向同性、有张力展开状态非线性静力学分析 230
6.5 帆板屈曲前的动力学特性分析 230
6.5.1 有限元模型 230
6.5.2 各向同性薄膜帆板的非线性动力学特性分析 231
6.5.3 正交异性薄膜帆板的特征值分析 232
6.5.4 薄膜厚度和温度载荷对非线性动力学特性的影响 232
6.5.5 非线性薄膜模型与非线性薄板模型的动力学特性比较 236
6.5.6 线性薄板模型与非线性薄板模型的动力学特性比较 236
6.5.7 帆板边数对频率和振型的影响 237
6.6 帆板屈曲后的动力学特性分析 240
6.6.1 分析方法一 241
6.6.2 分析方法二 242
6.7 小结 243
参考文献 243
第7章 框架式太阳能帆板结构的应变模态特性分析 245
7.1 引言 245
7.2 动力学基本方程 246
7.2.1 简化模型 246
7.2.2 结构上一点的运动方程 247
7.2.3 板式结构振动的动力学基本方程 252
7.2.4 板式结构有限元模型 257
7.3 结构的应变模态 266
7.4 基于板式模型的太阳能帆板应变模态分析 267
7.4.1 仿真模型设计 267
7.4.2 板式模型的动力学特性仿真 267
7.4.3 仿真结果分析 268
7.5 周边为刚架的框架式太阳能帆板应变模态分析 269
7.5.1 周边刚架模型仿真参数设计 269
7.5.2 周边刚架式太阳能帆板仿真 270
7.5.3 仿真结果分析 271
7.6 具有“工字形”刚架的框架式太阳能帆板应变模态分析 272
7.6.1 “工字形”刚架模型仿真参数设计 272
7.6.2 “工字形”刚架式太阳能帆板仿真 272
7.6.3 仿真结果分析 274
7.7 周边为刚架的框架式太阳能帆板动力响应分析 274
7.7.1 干扰力载荷作用点与动力响应点位置想定 274
7.7.2 冲击载荷作用下的位移响应 275
7.7.3 简谐干扰力作用下帆板的动力响应 276
7.7.4 结果分析 278
7.8 小结 278
参考文献 279
第8章 挠性航天器刚柔耦合动力学分析 280
8.1 引言 280
8.2 刚柔耦合系统动力学基本问题 280
8.2.1 Kane动力学模型 280
8.2.2 挠性结构的运动变形 283
8.2.3 动力刚化现象 285
8.3 航天器－梁式挠性结构系统刚柔耦合动力学分析 287
8.3.1 挠性航天器梁式简化模型 287
8.3.2 刚柔耦合系统的运动学模型 288
8.3.3 结构动力学系统有限元模型 295
8.3.4 Kane动力学模型仿真分析 298
8.3.5 有限元动力学模型仿真分析 302
8.3.6 挠性航天器耦合运动数值仿真分析 305
8.4 航天器－板式挠性结构系统刚柔耦合动力学分析 310
8.4.1 挠性航天器板式简化模型 310
8.4.2 基于Kane方程动力学模型 311
8.4.3 板式结构系统的有限元模型 320
8.4.4 板模型Kane动力学模型仿真分析 326
8.4.5 板模型有限元动力学模型仿真分析 329
8.5 挠性航天器在轨飞行中的刚柔耦合动力学分析 330
8.5.1 刚柔耦合动力学建模 330
8.5.2 挠性航天器刚柔耦合运动仿真分析 339
8.6 小结 343
参考文献 344
第9章 挠性航天器太阳能帆板多体结构动力学分析 345
9.1 引言 345
9.2 多体结构动力学基本理论 345
9.2.1 多杆模型 345
9.2.2 多梁模型 351
9.3 航天器太阳能帆板多体结构动力学模型 361
9.3.1 简化模型 361
9.3.2 单块帆板的动力学方程 363
9.3.3 连接结构的动力学模型 367
9.3.4 两块板连接而成的太阳能帆板的弯曲 371
9.4 太阳能帆板结构的特征问题分析 374
9.4.1 由单块悬臂板组成的太阳能帆板的振动 375
9.4.2 由多板连接组成的太阳能帆板的振动 376
9.5 太阳能帆板多板结构的动力学分析 381
9.5.1 各向同性方形悬臂板 381
9.5.2 两块板连接而成的太阳能帆板多体结构动力学分析 383
9.5.3 3块板连接而成的太阳能帆板多体结构动力学分析 390
9.6 含连接支架的太阳能帆板多体结构整体动力学分析 400
9.6.1 结构特点分析 400
9.6.2 数学模型 401
9.6.3 太阳能帆板多体结构的整体动力学特性分析 412
9.7 小结 414
参考文献 415
第10章 半刚性太阳能电池翼结构动力学特性分析 416
10.1 引言 416
10.2 半刚性太阳能电池翼的物理模型 417
10.3 半刚性太阳能电池翼整体动力学模型及特性分析 418
10.3.1 整体简化模型 418
10.3.2 匀直悬臂梁模型动力学特性分析 421
10.3.3 分段梁模型动力学特性分析 431
10.3.4 “匀直＋匀直”双梁模型动力学特性分析 434
10.3.5 “分段＋匀直”双梁模型动力学特性分析 440
10.3.6 端部带集中质量块的悬臂梁模型动力学特性分析 443
10.4 半刚性太阳能电池翼的有限元模型 447
10.4.1 连接刚度建模 447
10.4.2 挠性基板建模 448
10.4.3 太阳能电池片建模 449
10.4.4 主伸展桁架有限元模型 449
10.4.5 太阳能电池翼整板有限元模型 450
10.5 单板力学特性分析 452
10.5.1 单块帆板的静力学特性分析 452
10.5.2 单块帆板的模态分析 455
10.5.3 张力对帆板固有频率的影响 461
10.6 主展开桁架力学特性分析 463
10.6.1 主展开桁架的静力学特性分析 463
10.6.2 主展开桁架的模态分析 465
10.7 半刚性太阳能电池翼整体力学特性分析 469
10.7.1 半刚性太阳能电池翼整体结构静力学特性分析 469
10.7.2 半刚性太阳能电池翼整体结构模态分析 474
10.8 小结 489
参考文献 490
第11章 太阳能帆板非线性结构动力学特性分析 491
11.1 引言 491
11.2 挠性航天器结构系统的一般模型 491
11.2.1 航天器－帆板结构系统 491
11.2.2 挠性航天器部件模型 492
11.3 大挠性太阳能帆板的非线性梁模型 495
11.3.1 大挠性几何非线性梁变形场描述 495
11.3.2 大挠性几何非线性梁模型的动力学方程 497
11.4 大挠性太阳能帆板的非线性板模型 512
11.4.1 几何非线性板变形场描述 512
11.4.2 有限元离散 514
11.4.3 运动学分析 517
11.4.4 动力学方程 520
11.5 太阳能帆板非线性振动仿真分析 523
11.5.1 结构模型 523
11.5.2 动力学方程的建立 524
11.5.3 数值仿真 531
11.6 小结 533
参考文献 533
第12章 挠性航天器轨道运动与帆板振动的耦合动力学分析 534
12.1 引言 534
12.2 航天器在轨飞行运动学特性分析 534
12.2.1 轨道运动与姿态运动 534
12.2.2 研究模型 537
12.3 载荷分析 538
12.3.1 坐标系描述 539
12.3.2 作用在航天器本体上的载荷 545
12.3.3 作用在太阳能帆板上的载荷 553
12.4 轨道飞行运动参数对太阳能帆板静变形的影响分析 559
12.4.1 基本假设 559
12.4.2 航天器的运动方程 560
12.4.3 太阳能帆板的静变形方程 564
12.4.4 轨道飞行引起的太阳翼帆板静变形仿真分析 568
12.5 轨道飞行对太阳能帆板振动特性影响分析 573
12.5.1 平面曲梁的有限元动力学方程 573
12.5.2 太阳能帆板曲梁模型的仿真分析 582
12.6 小结 584
参考文献 585