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带有随机场变量结构的热-结构耦合动力特性分析 毕业论文
文章来源:www.biyezuopin.vip   发布者:毕业作品网站  
xt-indent: 2em; margin-top: 0px; margin-bottom: 0px; -ms-text-justify: inter-ideograph;">2.1.2 总体矩阵组装

2.2 动力学方程数值求解方法

2.2.1 系统固有频率与振型计算

2.2.2 系统动力响应计算

2.3 热学

2.3.1 热传导

2.3.2 热辐射

2.4 随机场及其展开

2.4.1 随机场的性质

2.4.2 随机场的Karhunen-Loeve展开

2.5 NURBS样条

2.5.1 B样条

2.5.2 NURBS样条

2.5.3 样条微分

2.6 本章小结

第三章 热-结构耦合有限元方法

3.1 平板结构的有限元分析

3.1.1 Mindlin板的力学方程

3.1.2 热学方程

3.2 热-结构耦合

3.2.1 热载荷计算

3.2.2 耦合过程

3.2.3 应力计算

3.3 带有随机场的平板有限元分析

3.3.1 带有随机场的结构刚度矩阵

3.3.2 带有随机场的结构质量矩阵

3.4 数值算例

3.5 本章小结

第四章 热-结构耦合等几何分析

4.1 结构模型的建立

4.1.1 构建几何模型

4.1.2 几何模型的调整

4.1.3 计算域的细化

4.2 热-结构耦合的等几何分析方法

4.2.1 Mindlin板的等几何力学方程

4.2.2 等几何热学方程

4.2.3 热-结构耦合

4.2.4 等几何分析热应力计算

4.3 带有随机场的结构等几何分析

4.4 数值算例

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

致谢














,

摘要

航天是一个融合了各领域技术的高精尖科技工程,空间结构设计是航天器稳定和可靠工作的基础,能够保证航天器在恶劣的空间环境中工作。其中比较突出的问题是如何量化热辐射对结构振动产生的影响,故分析结构在温度场和结构位移场等多场环境下动力响应具有重要工程意义。本文以航天器中常用的平板结构作为研究对象,考虑其在太阳光辐射作用下产生热应力导致热变形,而结构变形使得接收到的太阳光热流变为交变热流,进一步影响结构的热变形,将这种热和结构之间的相互作用视为热-结构耦合。因此在考虑结构部分物理参数为随机场的情况下,有必要对空间中的平板结构热-结构耦合的动力响应展开研究,具体工作如下:

(1)查阅国内外大量文献发现,在空间结构受到“阴影-光照”的突然变化后,会发生热致振动产生热-结构耦合现象,且结构物理参数的随机性会极大影响其动力响应。同时,对本文中要用到的相关理论,如,随机场、热力学、结构动力学以及等几何分析方法等开展了研究。

(2)使用Mindlin平板理论,建立空间结构在热-结构耦合下的有限元模型,其过程为:①将平板结构进行有限元网格划分,并施加力学控制方程和边界条件获得动力学微分方程;②将结构的有限元网格扩充为热传导有限元网格,并构建其热传导微分方程;③在时域内分别用间差分法和Newmark-β法对热传导和结构动力学微分方程进行展开,然后对温度场和结构位移响应交替迭代计算,获得每一时刻的温度响应和位移响应。通过算例分析表明:当空间中平板结构突然经历“阴影-光照”的转化过程后,会诱发结构振动,随后振幅逐渐减小,振动趋于平缓,最后变成稳定的振动。之后,考虑结构的弹性模量和质量密度为随机场变量,将其用Karhunen-Loeve法进行展开,构建随机热-结构耦合有限元模型,通过算例抽样计算并分析每一个随机场参数对结构动力响应特征值的影响。

(3)以平板结构的非均匀有理B样条几何模型为基础,使用等几何分析方法推导得到热传导微分方程以及动力学微分方程,实现使用CAD模型直接进行CAE分析的过程,进一步对模型进行细化,并构建材料的弹性模量和质量密度是随机场的热-结构耦合随机等几何分析模型。首先,使用数值的方法对微分方程进行展开计算得温度场、位移场;然后,将等几何分析的结果与有限元结果进行对比分析,表明了所建模型的准确性;最后,对不同随机场参数进行抽样统计分析,获得不同随机场参数对结构动力响应的影响程度,结果表明弹性模量随机场的标准差影响最大。

关 键 词:热-结构耦合, 有限单元法, 随机场, K-L展开, 等几何分析


ABSTRACT

Astronautical industry is a high-precision science and technology engineering that integrates technologies in various fields, and space structure design is the fundation of the stable and reliable operation of spacecraft, which ensuring that it is capable of working in harsh space environments. One of the more prominent problems is how to quantify the influence of thermal radiation on structural vibration, it is of great engineering significance to analyze the dynamic response of the structure in a multi-field environment such as temperature field and structural displacement field. In this paper, the commonly used plate structure in spacecraft is taken as the research object, and thermal stress is generated and thermal deformation is accordingly induced by considering the action of solar radiation. The deformation makes the received solar heat flow into alternating heat flow, which further affects the thermal deformation of the structure, and the interaction between heat and structure is considered as the thermal-structure coupling. And the interaction between the above heat and structure is named as thermal-structure coupling. Therefore, it is necessary to study the influence of the random field parameters in space on dynamic response under thermal-structure coupling with random fields’ physical parameters of the plate structure considered. The specific work is as follows:

(1) Consulting a large number of domestic and foreign documents, it is found that thermal-structure coupling is produced by the thermally induced vibration, and the dynamic response is affectd by the randomness of structure's physical parameters when the spatial structure experiences a sudden change of "shadow-light". At the same time, the relevant theories used in this work are studied, such as random field, thermodynamics, structural dynamics as well as isogeometric analysis methods.

(2) The finite element model of a space structure under thermal-structure coupling is established by using the Mindlin plate theory, and the process is as follows: ①Mesh the plate structure by finite element method, and apply mechanical control equations and boundary conditions to obtain dynamic differential equations; ②Extend the finite element grid to finite element mesh of heat conduction and construct its heat conduction differential equations; ③In the time domain, expand the differential equations of heat conduction and structural dynamics by applying the difference method and the Newmark-β method respectively, and then calculte the temperature field and structural displacement response in an interative manner to obtain the temperature response and displacement response at each moment. The numerical example shows that the plate structure in the space, after a sudden "shadow-light" transformation process, could induce structural vibration, and subsquently its amplitude gradually decreases with a gentle vibration, which leading to a stable vibration. After that, the elastic modulus and mass density of the structure are considered as random field variables and expanded by the Karhunen-Loeve method, which is used to construct the finite element model under random thermal-structure coupling.

(3) Based on the NURBS (Non-Uniform Rational B-Spline) spline geometric model of the plate structure, the IGA (Isogeometric Analysis) method is used to derive the heat conduction differential equation and dynamic differential equation to realize the process of directly performing CAE analysis using the CAD model. Furthermore, the elastic modulus and mass density of the material are regarded as random fields, and then the isogeometric analysis model under thermal-structure coupling is constructed by refining the NURBS spline geometric model. Firstly, numerical methods are used for expanding the differential equation to calculate the temperature field and displacement field; Then, the results of IGA are compared with that of finite element analysis, which indicate the accuracy of the built model; Finally, different random field parameters are performed with sampling statisticcal analysis to obtain the degree of influence of different random field parameters on the dynamic response of the structure. The results show that the mean square error of the elastic modulus random field holds the greatest influence.

Keywords: thermal-structure coupling, finite element method, random fields, K-L expansion, isogeometric analysis


插图索引

图1.1 实践20号通信卫星

图1.2 神州11号飞船

图1.3 国际空间站

图1.4 天宫空间站构想图

图1.5 论文的总体框架

图2.1 双线性四边形等参元

图2.2 非零二阶B样条基函数

图2.3 NURBS样条曲线

图3.1 转角规定

图3.2 应力与力矩平衡示意图

图3.3 Mindlin板变形模型

图3.4 平板热传导示意图

图3.5 结构吸收太阳光热流示意图

图3.6 Mindlin板单元与热传导单元

图3.7 热-结构耦合过程流程图

图3.8 二维等参单元应力外推

图3.9 轧制产生不确定性的过程示意图

图3.10 一维随机场自协方差矩阵的特征函数与特征值

图3.11 一维弹性模量随机场分布

图3.12 二维弹性模量随机场分布

图3.13 太阳能帆板简化有限元模型

图3.14 一个周期内平均温度时间历程

图3.15 一个周期内最大温差时间历程

图3.16 一个周期内最大位移处位移时间历程

图3.17 有限元最大位移云图

图3.18 有限元最大应力云图

图3.19 最大位移时间历程

图3.20 最大位移点速度的时间历程

图3.21 最大位移点的加速度时间历程

图3.22 固有频率

图3.23 最大位移的方差

图3.24 100个样本的最大位移柱状图

图4.1 平板结构的NURBS几何模型

图4.2 移动控制点调整NURBS曲面

图4.3 进行h细化前后NURBS基函和样条曲线数对比

图4.4 NURBS曲面的空间映射关系

图4.5 NURBS实体插值温度场示意图

图4.6 太阳能帆板NURBS曲面模型

图4.7 IGA方法最大位移位移云图

图4.8 IGA最大位移间历程

图4.9 IGA最大速度时间历程

图4.10 IGA最大加速度时间历程

图4.11 IGA最大位移的方差

图4.12 等几何分析与有限元法位移比较

图4.13 等几何法与有限元法频率比较

图4.14 不同随机场的标准差对结构动态响应统计量的影响

图4.15 不同随机场的相关性长度对结构动态响应统计量的影响



符号对照表

符号

符号名称

刚度矩阵

质量矩阵

阻尼矩阵

位移向量

力载荷向量

热传导刚度矩阵

热容矩阵

单元等效热流向量

入射热流量

表面散热量

表面散热量

二维拉格朗热插值形函数

三维拉格朗热插值形函数

形函数矩阵

单元积分区域

应变矩阵

弹性矩阵

坐标变换的雅可比矩阵

Rayleigh阻尼系数

无量纲自然坐标

平板厚度

弹性模量

剪切模量

泊松比

质量密度

平板弯曲刚度

剪切修正因子

比热容

导热系数

热膨胀系数

表面散热系数

表面吸热系数

随机事件

随机变量

时间步长

Newmark-β积分参数

热流密度

斯蒂芬-玻尔兹曼常数

温度变量

辐射能

随机场变量

随机场均值

随机场协方差函数

特征值

特征函数

B样条基函数

一维NURBS样条基函数

二维NURBS样条基函数

控制点

NURBS权系数

初始温度

应变向量

广义应变(平板中面曲率)

应力向量


缩略语对照表

缩略语

英文全称

中文对照

FEM

Finite Element Method

有限单元法

SFEM

Stochastic Finite Element Method

随机有限单元法

K-L expansion

Karhunen-Loeve expansion

K-L展开

NURBS

Non-Uniform Rational B-Spline

非均匀有理B样条

IGA

Isogeometric Analysis

等几何分析


目录

摘要

ABSTRACT

插图索引

表格索引

符号对照表

缩略语对照表

第一章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 研究现状

1.2.1 热-结构耦合研究现状

1.2.2 随机场问题的研究现状

1.2.3 等几何分析的研究现状

1.3 本文的主要研究内容

第二章 理论基础

2.1 有限单元法

2.1.1 单元积分

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