66400字硕士毕业论文时变结构动力学系统中运动质量的创新研究
论文类型：硕士毕业论文
论文字数：66400字
论点：系统,研究,质量
论文概述：
摘要 本文以“XXXX时变力学研究”为研究背景，以移动质量一悬臂梁时变结构动力学系统为研究对象，对时变力学系统的数学建模、数值算法及实验进行了初步研究。 通过对系统时变力
论文正文：
时变结构动力学系统中运动质量的创新研究
阅读指南(Reading Guidance):对车辆和桥梁系统的研究主要集中在桥梁的振动上，尤其是振动的频率和振幅等主要振动特性。分析振动是否会对桥梁造成损坏，从而危及人身安全或造成安全隐患。国内外的研究大多是车辆和桥梁系统的数学建模和数值求解，理论上比较成熟，也研究了系统的时变特性。由本网站的硕士论文中心组织。
1简介
1.1主题的背景和意义
当枪发射时，火药在密封的室内迅速燃烧。高压气体确实作用在射弹上，使它沿着枪管高速前进。反冲部件在枪膛合力的作用下沿支架导轨向后移动。火炮发射过程具有瞬态、高速、高压和高温的特点。在这个过程中，射弹、枪体和支架都有相对运动和极其复杂的力。射弹相对于枪体向前加速，而枪管沿着支架导轨向后移动，同时伴随着明显的时变特性。研究这一时变运动过程，掌握火炮身管的时变运动规律和振动响应特性，对提高火炮射击精度和射击稳定性具有重要意义。由于火炮系统的复杂性，为了更好地研究火炮射击过程的时变特性，系统按照由易到难的思想进行抽象和简化，采用移动质量悬臂梁系统来描述弹丸沿枪管的运动或枪体相对于支架的后坐运动。对移动质量悬臂梁系统时变动力响应特性的研究是一项基础理论研究，其研究成果可为后续工作提供理论依据和重要支持。
随着科学技术的飞速发展，基于不断研究对象的传统力学在某些方面已经不能满足要求。从时间变化的角度研究内部参数随时间变化的力学现象是一种发展趋势。长期以来，对已知的固定结构进行了结构力学研究，其刚度、阻尼和质量等结构参数不随时间变化。然而，随着人类生活和生产的需要以及科学技术的飞速发展，工程领域出现了大规模、高速、复杂和智能化的新材料、新结构和新产品。时变效应的影响越来越明显，结构参数时变特性的研究也越来越重要。时变结构动力学的兴起对学术和科学发展具有重要意义。
结构的动态时变特性在工程机械、建筑桥梁、常规武器、航空空航空航天和其他领域很常见，例如挖掘机和起重机等重型机械的机械臂的部署和回收。车辆桥梁系统中桥梁上的汽车和火车的运动；射弹在枪管内的运动和枪管沿枪发射系统支架的大位移反冲运动；航天器的运动以及太阳能电池板和天线等柔性结构的伸缩存在时变结构动力学问题。
移动质量悬臂梁系统是一个典型的时变结构动力学系统。当质量以一定速度在梁上移动时，系统结构的刚度矩阵和质量矩阵将相应地改变，即显示时变特性。由于时变结构力学理论的复杂性，与时不变结构动力学系统相比，其数学建模、数值计算和实验研究更加复杂和困难。许多问题需要更深入细致的研究。
基于此研究背景，结合“XXXX时变力学研究”项目，对移动质量悬臂梁时变结构动力系统进行了数学建模、数值计算和实验研究。本文的研究具有很强的理论意义和实用价值。
1.2国内外研究现状
.2.1时变结构动力学
时变力学[[2]产生于20世纪90年代。基于时变机械产生和发展的重要应用背景，它被提出并迅速发展成为一个新的学科分支。进入21世纪以来，时变力学已广泛应用于机械、建筑、微电子、通信、智能系统和武器系统。主要研究内容包括粘弹性/热弹性时变力学、线性和非线性时变力学、时变动力学、时变力学的数学理论和数值方法等。在工程和科学技术领域，随着时变力学的出现，时变结构动力学的研究被认为是近年来力学领域，特别是一般力学领域的关键研究方向，主要包括:
1)车辆和桥梁系统问题。如果车辆静止在桥梁上，桥梁的质量分布是恒定的，那么车辆静止时桥梁系统的振动属于时不变系统的振动。当车辆在桥上以一定速度移动时，由于车辆的巨大质量和刚性，车辆施加到桥上的载荷发生变化，因此桥也会由于变化的载荷而产生变化的振动。此时，桥梁的振动随着较大质量的运动而变化。车辆和桥梁构成一个时变系统，系统的质量矩阵随时间变化。
目前，国内外对车辆和桥梁系统的研究越来越多，因为车辆和桥梁在我们的日常生活中很常见，与我们的生命财产安全密切相关。人们对车桥系统的研究主要集中在
桥的振动，尤其是振动的频率和振幅等主要振动特性。分析了振动是否会对桥梁造成损坏，从而危及人身安全或存在安全隐患。国内外的研究大多是车辆和桥梁系统的数学建模和数值求解，理论上比较成熟，也研究了系统的时变特性。赛义德·艾哈迈德·哈米迪·[3]研究了列车通过桥梁时桥梁动力响应的影响因素，包括列车车轴对铁路钢桥的速度、距离和跨度的动力响应。徐[研究了车桥耦合系统的动态应力和加速度响应，并评估了桥梁的安全性和车辆的舒适性。卢登扩张，刘[6，卡尔多恩巴尼哈尼[]和哈桑莫吉米1 [g]都研究了车辆桥梁系统。在国内研究中，肖新标和沈火明[9-10]对车桥耦合系统进行了相关研究，研究了简支梁的动力响应和移动荷载下车桥耦合振动问题，并对不同车型的车桥耦合系统进行了对比分析。彭贤[1 \'21等人研究了移动质量梁耦合系统中移动质量对梁动力响应的影响。刘盼、倪桥、[等人研究了自重和移动质量惯性效应对梁的动力响应的影响。王小朝等人分析了变速移动荷载作用下变截面桥梁的动力响应，以模拟车辆通过多跨变截面桥梁时的灾难性动力响应。
2)火炮发射系统问题。火炮作为一种常规武器，曾因其强大的威力和出色的战场表现而赢得战神的美誉。随着科学技术的发展，对火炮系统提出了更高的要求。因此，国内外都在做大量的工作来提高火炮的自动化和智能化，努力提高火炮的综合性能。
火炮的设计正朝着轻量化、智能化和精密化发展，特别是轻量化和精密化。在方便空运输或直升机运输的同时，需要减少火炮的总质量并确保火炮的射击精度。毫无疑问，
增加了设计和分析的难度。如果仍然按照传统的时不变力学思想进行设计和分析，炮口扰动、整体刚度和强度的结果将与实际情况大相径庭。因此，将时变力学思想和理论融入到火炮的设计过程和分析中，对火炮进行时变力学建模，将有助于更好地模拟火炮的各种性能参数，达到预期的效果，对火炮的设计具有一定的指导意义。目前，国内外对火炮系统时变效应的研究很少。对移动质量梁系统的研究可以看作是这方面的一种尝试。杨国来、陈强、[等人对此也做了一些研究。[20个坏港口研究了移动质量悬臂梁系统的动态耦合，尼克霍·[22]和吴[23]研究了简支梁、框架梁和移动质量的耦合。本文研究悬臂梁系统在移动质量作用下的时变效应，对火炮发射系统的时变动态设计和提高火炮综合性能具有重要意义。
3)航天器系统问题。目前，航空航天空是国内外最热门的研究领域，涉及许多时变力学问题，如运载火箭飞行过程中燃料的快速燃烧、卫星和空站
携带的太阳能板等柔性附件的延伸和回收、可展开天线、系留卫星等。宋宇·[等推导了带柔性扩展附件航天器的时变动力学方程，并通过求解和分析研究了其动态响应。陈蔡邕和王归姓[2}]研究了航天器对接过程的时变动力学，给出了接触运动学约束方程，开发了对接动力学仿真分析软件，验证了理论和软件的有效性。胡庆磊[26]研究了受约束航天器的时变滑模姿态控制。结合时变非线性结构控制器的设计方法，给出了相应的反馈控制器设计方法，并有效应用于三轴稳定挠性航天器的姿态控制。金永强[[27]和郑燕琴[[28]等。研究了航天器的时变控制并取得了一些研究成果。
此外，导弹和飞机机翼的颤振[29]，结构的动态屈曲，齿轮啮合，起重机在横梁上的运动，挖掘机和装载机的机械臂[30]的运动，以及火箭发射系统都是时变结构动力学问题。
1.2.2时变力学数值方法
时变结构动力学方程通常是时变线性或时变非线性的，很难获得解析解。最可行的方法是数值解法。最常见和最成熟的数值方法是有限元法和有限差分法。带有参数的时变结构系统最终可以用带有时变系数的偏微分方程来描述。对于结构系统，通常使用有限元法在空之间离散，形成一组耦合的线性或非线性二阶常微分方程组。对于求解二阶常微分方程的数值方法，过去通常采用龙格-库塔法等方法。然而，在时变结构动力系统的有限元分析中，由于结构时变特性的复杂性以及由此产生的高阶复杂参数矩阵，常用的数值方法求解变得不经济。数值积分方法中有直接积分法，如中心差分法和纽马克法(Newmark method)，其中中心差分法是一种条件稳定的显式算法，适用于波传播问题。纽马克算法是一种无条件稳定的隐式算法，更适用于结构动力问题的数值求解。
肖新标和沈火明[[3t]用纽马克法和龙格库塔法解决了车桥耦合系统问题。宋宇[24]用高阶龙格库塔方法解决了航天器柔性附件伸展的非线性问题。阿马比利·[32]用显式高阶龙格-库塔方法求解圆柱直齿轮啮合时变特征运动方程。胡海燕[[33]研究非线性问题，倪桥[“]研究移动质量加速度作用下简支梁的动力响应，鲁南芝[[34]研究移动质量对悬臂梁自由端动力响应的影响。他们的数值方法是龙格-库塔法。这表明龙格-库塔方法在一些时变或非线性问题的研究中得到了应用，但它是条件稳定和不经济的。
此外，直接乘积法的纽马克(Newmak)和威尔逊-8方法也常用，都属于隐形积分法，其他显式方法，如中心差分法，也属于直接积分法，本质上是有限差分法。显式积分法具有计算过程简单、计算效率高的优点，但缺点是时间步长的选择受到条件稳定性的限制。隐式积分法具有良好的数值稳定性和相对灵活的时间步长选择，因此常被用于求解线性和非线性问题。在求解时变系数常微分方程时，直接积分法通常采用时不变假设，选择较小的时间步长。每个时间步长的迭代可以提高计算精度，查特基·[3s]对此做了一些研究。何万龙[36]等人研究了显式和隐式方法相结合的数值算法，给出了显式四阶龙格库塔法和隐式新马克维法相结合的预测修正方法。陈强[\'a \'9]用纽马克方法求解变速运动质量梁系统的运动方程。彭贤[12]用直接积分的纽马克方法求解移动质量简支梁耦合系统的动态运动方程。王小朝·[等人用纽马克方法数值模拟了多变速移动荷载作用下梁桥结构的动力响应。于洋·[37]用振型叠加法和威尔逊-8法求解简支梁的振动响应。
参考
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摘要3-4[/BR/]摘要4
1引言7-14
1.1课题的背景和意义7-8
1.2国内外研究现状8-12
1.2.1时变结构动力学8-9
1.2.2时变力学数值方法9-10 [/BR/] 1.2.3时变不一致有限元方法10-11 [/BR/] 2.2动态方程14-17
2.3不一致时间有限元方法17-29
2.3.1基于拉格朗日插值的算法公式19-27[/ Br/] 2.3.2不一致时间有限元方法的算法特征27-29
2.4数值例子29-37
2.4.1单自由度问题29-33
2.4.2两自由度问题33-33 3.2.1移动力模型38-40
3.2.2移动质量模型40-42 [/BR/] 3.3基于假设模式方法的运动控制方程求解42-50 [/BR/] 3.3.1移动力模型43-44 [/BR/] 3.3.2移动质量模型44-46[/ Br/] 3.3.3不一致时间有限元方法数值计算的空之间的离散 3.4.2移动力模型51-53 [/BR/] 3.4.3移动质量模型53 [/BR/] 3.4.4不一致时间有限元法有限元方程53-56 [/BR/] 3.5本章概述56-57
4移动质量可变截面梁建模和间隙对梁动态响应的影响57-67
4.1引言57[/br 4.2.2移动质量模型58-59[/ Br/] 4.3移动质量可变截面梁系统59-64
4.3.1离散59-61
4.3.2离散61-62
在空之间基于假设模式方法4.3.3不一致时间有限元方法62-64 [/BR/] 4.4间隙对移动质量悬臂梁系统64-64的影响的数值计算 4.5本章总结66-67
5悬臂梁移动质量时变力学系统实验研究67-75 [/BR/] 5.1实验设计67-68 [/BR/] 5.2实验测试内容和测试方案68-71[/ Br/] 5.2.1实验测试内容68
5.2.2实验测试计划68-71
5.3实验测试和结果分析71-74[/BR//刘明福，张东平，曾德英。数学建模，2011，35: 398-411
您可能对工程硕士论文有购买需求，请到工程硕士论文的渠道选择:哈尔顿·巴尼-哈尼，穆萨·阿拉奈。移动荷载下桥梁的预应力主动后张预应力筋控制357[J]。结构控制和健康监测，2007-383哈桑·莫吉米，哈米德·罗纳。桥梁的数值模型的发展-4:8]车辆相互作用和人类对交通诱导振动的反应[。工程结构，2008，30: 3808-3819 [/BR/] [9]沈火明，肖新彪。求解等截面连续梁在移动荷载作用下动力响应的插值模态函数法[[]。振动与冲击，2005，24(2): 27-30
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