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柔性空间结构的热-动力学耦合有限元分析

The Thermal-Dynamic Coupling Analysis of Flexible Space Structures by Finite Element Method (FEM)

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【作者】 段进向志海薛明德

【Author】 DUAN Jin1, XIANG Zhi-hai1, XUE Ming-de1 (1.Department of Engineering Mechanics, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

【机构】 清华大学工程力学系

【摘要】 本文针对柔性空间结构,发展了一种非线性有限元法进行热-动力学耦合分析。包括:薄壁杆系统的瞬态温度场分析和空间结构的几何非线性动力学分析。本文构造了一种一维薄壁杆温度单元,通过增加节点自由度数能够同时模拟横截面平均温度与温度梯度,从而既能提供热轴力、还能提供热弯矩与热双力矩,与动力学分析采用的包含翘曲自由度的欧拉-伯努利梁单元协调一致,形成一个高度非线性的耦合问题。利用该方法分析哈勃太空望远镜太阳翼的热诱发弯扭耦合振动问题,得到与实际观测相符的结果。

【Abstract】 In this paper, a kind of nonlinear FEM is presented to perform the thermal-dynamic coupling analysis of flexible space structures. Two problems are concerned, i.e., the transient temperature analysis and the geometric nonlinear dynamic analysis, which constitute a highly nonlinear coupled problem. A kind of 1-D temperature element of thin-walled beam is developed, sharing the same mesh with the Euler-Bernoulli element in the corresponding structural analysis. By adding additional DOFs of each temperature node, not only the thermal axial force but also the thermal moments and bi-moments can be calculated. And then, using the present scheme to analyze the thermally-induced bending-torsion vibration of the solar array on Hubble Space Telescope, the results consistent with the actual observation can be obtained.

【基金】 基金项目:863-2-2-1-9
  • 【会议录名称】 第九届全国振动理论及应用学术会议论文集
  • 【会议名称】第九届全国振动理论及应用学术会议暨中国振动工程学会成立20周年庆祝大会
  • 【会议时间】2007-10-17
  • 【会议地点】中国浙江杭州
  • 【分类号】TB122
  • 【主办单位】中国力学学会、中国振动工程学会、中国航空学会、中国机械工程学会、中国宇航学会
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