基于脉冲响应函数的弹性连接子结构综合方法技术

本发明专利技术涉及一种基于脉冲响应函数的弹性连接子结构综合方法，属于结构动力学技术领域。该方法包括如下步骤：首先获得各个子结构的脉冲响应函数矩阵；然后根据子结构间的连接关系建立子结构界面的相容条件(包括界面位移相容条件和界面力相容条件)以及连接件的运动方程；接下来利用界面力相容条件和脉冲响应函数矩阵建立子结构的运动方程；最后利用位移相容条件和连接件的运动方程将所有子结构的运动方程综合起来，解得各个子结构的响应。与经典时域子结构法相比，本发明专利技术以脉冲响应函数为基础，给出了子结构间弹性连接件的一种描述方法，克服了经典时域子结构法仅适于分析子结构间为刚性连接的缺陷，拓展了时域子结构方法的应用范围。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种弹性连接子结构综合方法和算法，特别涉及一种基于脉冲响应函数的弹性连接子结构综合和算法，属于结构动力学
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技术介绍
随着航天技术的发展和对工程结构动态设计要求的提高，航天器结构系统变得日益复杂和庞大。在动态分析和优化设计过程中，由于模型自由度较多，不得不耗费大量的时间进行计算。另一方面，许多航天器在研制过程中往往需要不同地域甚至不同国家之间的合作，考虑到技术保护问题，合作双方无法直接共享有限元模型。动态子结构方法就是为解决上述问题而发展起来的一种较为理想的方法。自从I960年Hurty首次实现动态子结构(Dynamic Substituting, DS)技术以来，经过半个世纪的发展动态子结构技术已经广泛应用于工程领域，先后形成了三类方法：模态综合（Component Mode Synthesis, CMS)法、频域子结构（Frequency BasedSubstructuring,FBS)方法和基于脉冲的子结构（Impulse Based Substituting, IBS)即经典时域子结构方法。前两种方法中，子结构的动力学特性分别由模态和频率响应函数描述。IBS方法是Rixen于2010年提出的新型时域子结构方法，子结构的动力学特性由脉冲响应函数描述。IBS相对于其它两种方法更适于瞬态冲击动力学问题，目前已在海上风力发电机的振动分析和月球探测器的软着陆动响应计算中得到了应用。然而，Rixen的IBS方法中假设子结构之间的连接是刚性的，即两个子结构的连接自由度的位移始终是相等的。这是一种理想条件下的假设，因为实际的连接件都是包含弹性的。一个高精度的结构动力学分析过程不仅需要建立准确的子结构模型，也要如实地反映子结构间的连接。如果刚性连接不能充分描述真实的连接，那么仿真计算得到的动响应结果必然与试验结果相差甚远。因此如何在经典的IBS方法中考虑连接件的弹性特性成为IBS技术的发展进程中必须解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是为解决传统IBS方法不能真实反应子结构连接件的弹性特性从而导致整个系统的动力学响应分析失真的问题，提出一种时域子结构综合过程中对弹性连接的描述方法，该方法拓展了 IBS方法的适用范围。本专利技术方法的基本思路为：首先获得各个子结构的脉冲响应函数矩阵；然后根据子结构间的连接关系建立子结构界面的相容条件（包括界面位移相容条件和界面力相容条件）以及连接件的运动方程；接下来利用界面力相容条件和脉冲响应函数矩阵建立子结构的运动方程；最后利用位移相容条件和连接件的运动方程将所有子结构的运动方程综合起来，解得各个子结构的响应。本专利技术的技术方案如下：一种，如图I所示，包括以下步骤：步骤I :通过数值积分方法Newmark法或者试验方法获得每个子结构的脉冲响应函数矩阵H(s) (t)，其中s表示子结构的序号，H(s) (t)矩阵的元素表示系统第s个子结构的第j个自由度在脉冲激励下第i个自由度的位移响应；步骤2 :弹性连接件的动力学描述，包括以下步骤：步骤2. I :系统位移向量的分块：系统的位移向量用全体子结构的位移向量表示为：本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于脉冲响应函数的弹性连接子结构综合方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：通过数值积分方法Newmark法或者试验方法获得每个子结构的脉冲响应函数矩阵H(s)(t)，其中s表示子结构的序号，H(s)(t)矩阵的元素表示系统第s个子结构的第j个自由度在脉冲激励下第i个自由度的位移响应；步骤2：弹性连接件的动力学描述，包括以下步骤：步骤2.1：系统位移向量的分块：系统的位移向量用全体子结构的位移向量表示为：u=u(1)Tu(2)T...u(Ns)TT;---(1)]]>式中，Ns为系统中子结构的个数，T表示矩阵转置。根据子结构间的连接关系，将子结构的位移向量u(s)分块为界面自由度和内部自由度u(s)=uc(s)Tui(s)TT;---(2)]]>并令：uc=uc(1)Tuc(2)T...uc(Ns)TT;---(3)]]>步骤2.2：确定界面位移相容条件：子结构间所有弹性连接件的自由度ue全部分布于各个连接件的边界上，位移相容条件要求ue＝uc；通过下式求得布尔矩阵B：Bu=Σs=1NsB(s)u(s)=uc;---(4)]]>则界面位移相容条件最终表示为：Σs=1NsB(s)u(s)=ue;---(5)]]>步骤2.3：确定界面力相容条件：连接件自由度ue对全体子结构边界的作用力向量用λ表示，则系统第s个子结构受到的来自连接件的作用力g(s)为：g(s)=B(s)Tλ;---(6)]]>界面力相容条件(即牛顿第三定律)要求子结构边界对连接件自由度ue的作用力向量为λe＝‑λ；步骤2.4：建立连接件的运动方程：令所有连接件的总体质量、阻尼和刚度矩阵分别为Μe、Ce和Κe，则所有连接件的运动方程为：Meu··e+Ceu·e+Keue=λe;---(7)]]>式中：和ue分别是连接件自由度的加速度、速度和位移向量；步骤3：建立子结构的运动方程，包括以下步骤：步骤3.1：建立时间连续形式的子结构运动方程：由Duhamel积分可知，系统第s个子结构的运动方程为：u(s)(t)=∫0tH(s)(t-τ)[f(s)(τ)+g(s)(τ)]dτ;---(8)]]>式中，f(s)为子结构所受的外载荷；步骤3.2：将步骤3.1中的子结构运动方程进行时间离散，得：un(s)=Σi=0n-1Hn-i(s)(fi(s)+fi+1(s)+B(s)Tλi+B(s)Tλi+1)dt2;---(9)]]>式中，dt为积分步长，角标代表时刻(如un＝u(ndt))；步骤3.3：利用Newmark方法表示子结构的速度和加速度u··n(s)=1βdt2(un(s)-un-1(s))-1βdtu·n-1(s)-(12β-1)u··n-1(s);---(10)]]>u·n(s)=γβdt(un(s)-un-1(s))+(1-γβ)u·n-1(s)+(1-γ2β)u··n-1(s)dt;---(11)]]>式中，γ和β是Newmark法的无量纲参数；步骤4：综合求解式(5)、(7)、(9)、(10)和(11)得各个子结构位移响应和子结构间界面力的时间递推公式为：un(s)=u~n-1(s)+H1(s)B(s)Tλndt2λn=G-1(p~n-1-Σs=1NsK‾eB(s)u~n-1(s));---(12)]]>式中：u~n-1(s)=Σi=0n-2Hn-i(s)[fi(s)+fi+1(s)+B(s)T(λi+λi+1)]dt2+H1(s)(fn-1(s)+fn(s)+B(s)Tλn-1)dt2;---(13)]]>G=dt2K‾eΣs=1NsB(s)H1(s)B(s)T+I;---(14)]]>K‾e=1βdt2Me+γβdtCe+Ke;---(15)]]>p~n-1=M~eΣs=1NsB(s)u··n-1(s)+C~eΣs=1NsB(s)u·n-1(s)+K~eΣs=1NsB(s)un-1(s);---(16)]]>M...

【技术特征摘要】
1.一种基于脉冲响应函数的弹性连接子结构综合方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1 :通过数值积分方法Newmark法或者试验方法获得每个子结构的脉冲响应函数矩阵H(s)⑴，其中s表示子结构的序号，H(s)⑴矩阵的元素#表示系统第s个子结构的第j个自由度在脉冲激励下第i个自由度的位移响应； 步骤2 :弹性连接件的动力学描述，包括以下步骤： 步骤2.1 :系统位移向量的分块： 系统的位移向量用全体子结构的位移向量表示为： 2.一种基于脉冲响应函数的弹性连接子结构算法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1 :定义基本未知量，分别是系统的第s个子结构的位移函数列向量u(s) (t)、速度函数列向量加速度函数列向量VsiOO以及连接件对系统的作用力函数列向量入⑴； 步骤2...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘莉，董威利，周思达，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11