關鍵字:張拉整體結構;動力學等效;降階模型;杆件屈曲;軟碰撞實驗
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陳占魁,羅凱,田强.張拉整體結構的動力學等效建模與實驗驗證[J].力學學報,2021,53(6):1698-1711.doi: 10.6052/0459-1879-21-056
Chen Zhankui,Luo Kai,Tian Qiang.DYNAMIC EQUIVALENT MODELING OF TENSEGRITY STRUCTURES AND EXPERIMENTAL VERIFICATION[J].Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics,2021,53(6):1698-1711.doi: 10.6052/0459-1879-21-056
張拉整體結構具有整體均勻承載、輕質、高收納比等優异結構特性,得到了土木、航太、生物醫學、機器人等工程領域研究人員的廣泛關注,特別是應用於小行星探測的軟著陸器、柔性機械臂等新型軟機器的設計。張拉整體結構一般是由張拉繩和受壓杆組成的力學平衡系統,以往的建模方法一般假設繩索發生純拉伸變形,且杆不發生變形或發生純壓縮變形。
在上述力學假設下,當張拉整體系統發生大變形時,部件會發生大轉動而引起幾何非線性問題,使結構線性分析失效,需採用結構非線性分析或動力學計算方法。進一步,對於由細長杆或軟資料杆組成的柔軟張拉整體系統,在系統變形或大範圍運動過程中杆還可能發生彎曲變形,囙此需研究杆後屈曲局部變形對系統整體承載效能與動力學行為的影響。
近期,北京理工大學研究人員陳占魁、羅凱和田强針對大柔性張拉整體系統的力學建模問題,在《力學學報》(2021,53(6):1698-1711)撰文介紹了一種張拉整體結構柔性細長杆的動力學等效建模和高效計算方法。該文提出了考慮拉壓和屈曲變形的五節點離散杆動力學降階模型,從能量角度推導了連續模型與離散模型的動力學等效過程,使得連續模型和離散模型橫向振動前兩階固有頻率相對誤差均降低至1%以內,提高了動力學計算精度。進一步,以六杆球形張拉整體結構為研究對象,建立和求解多柔體系統動力學方程,開展壓縮、模態和衝擊的靜/動態模擬與實驗測試,通過對比驗證了提出的動力學建模和計算方法的有效性。
該動力學等效建模與計算方法,可望用於軟著陸行星探測器、大型可展開空間結構及動態點陣資料等複雜張拉整體系統的動力學分析與控制。
圖1橡膠杆張拉整體結構碰撞動態構型(上)與動態響應曲線(下)模擬和實驗對比圖
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作者簡介
陳占魁
北京理工大學宇航學院力學系碩士研究生,現工作於浙江清華柔性電子技術研究院,主要研究方向為張拉整體結構的等效建模及可展開空間結構的數值計算等,相關成果發表在《力學學報》期刊上。
羅凱
北京理工大學宇航學院力學系助理教授、碩士生導師,研究方向為多體系統動力學、軟機器動力學與控制等,主要包括空間結構展開動力學計算、結構非線性屈曲分析、非線性系統模型降階、智能薄膜可控折展設計等,相關成果發表於力學學報、CMAME、Nonlinear Dyn.、JMPS、MSSP等期刊上。
田强
北京理工大學宇航學院力學系教授、博士生導師,主要從事多體系統動力學研究。現時擔任中國力學學會多體系統動力學專業組副組長、Mechanismand Machine Theory副主編、MultibodySystem Dynamics、ActaMechanica Sinica、《動力學與控制學報》等期刊編委,已在國內外期刊上發表學術論文50餘篇。獲國家自然科學基金優秀青年基金、國防科學技術進步二等獎等。
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原文刊載於【中國力學學會期刊網】公眾號
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