飞行器结构动力学.课件

1、飞行器 结 构 动 力 学 主讲教师文立华西北工业大学航天学院飞行器设计工程系第1章 概 论 西北工业大学第1章 概 论 飞行器结 构 动 力 学 第1章 概 论 1.4 振动的类型 1.5 振动的表示方法 1.6 振动的频谱 第1章 概 论 1.1 飞行器结构动力学的目的与任务 1.2 动力问题的基本特性1.3 基本研究方法与分析模型第1章 概 论 1.1 飞行器结构动力学的目的与任务 就是研究这种具体系统的振动特性和响应的分析方法与特点，以保证飞行器结构安全可靠、性能适当和具有足够的使用寿命。1.1 飞行器结构动力学的目的与任务 结构动力学问题主要有以下几个方面：目的： 外激励的分析与确定

2、主要激励源有发动机推力、射流噪声、附面层噪声、控制力、阵风、飞行阶段的转换(点火、发射、分离、熄火、着陆）、爆炸激励以及运输、装卸造成的激励等等。这些激励有确定性的，也有随机性的。1.1 飞行器结构动力学的目的与任务 动态响应计算，结构动稳定性分析，结构与飞行器其他系统（例如控制系统、燃料输送系统等）的耦合干扰分析，都是以结构动态固有特性为基本的原始数据。固有特性分析的基本内容是，在建立结构动态分析模型的基础上进行结构固有频率及其相应振型的计算。此项工作的分析精度在一定程度上影响着许多设计环节的有效性。 结构振动固有特性分析1.1 飞行器结构动力学的目的与任务 在飞行器设计过程中，这项工作是反

3、复进行的。其主要内容是确定结构在外激励下产生的输出。激励和输出可以是力、位移或加速度。掌握这些参量在飞行器工作过程中随时间变化的规律，是对结构进行动强度、刚度及舱内设备空间余量设计的必要条件，并在很大程度上影响着舱内敏感元件固定方式与合理位置的确定等。因此，本课题在飞行器结构动力学中是研究得最活跃的领域之一。 结构动态晌应计算1.1 飞行器结构动力学的目的与任务 当飞行器在飞行中受到外激励的作用产生振动时，随着弹性变形的不断变化，必然会引起附加的空气动力。在空气动力、变形所引起的弹性恢复力和振动所伴随的惯性力的联合作用下，当飞行速度达到某一特定值时，会出现空气动力面振幅迅速扩大而在几秒钟内导致

4、破坏的危险现象。我们把这种自激振动称为颤振。 气动弹性分析1.1 飞行器结构动力学的目的与任务 飞行器结构与其他系统的动力学耦合问题（如飞行器结构与推进系统耦合产生的 POGO 问题）；保证飞行器乘员舒适性的问题；液体燃料火箭的燃油晃动问题等。 其他问题1.1 飞行器结构动力学的目的与任务 分为以下四方面的基本课题：1振动设计问题。已知输入，要求设计出系统的振动特性，使得它的动态响应满足设计要求。2动环境预测问题。已知系统的动态特性和输出，研究其输入特性。3系统识别问题。通过已知的输入与输出来识别系统本身的动态特性与物理参量。 4已知系统特性和输入，求系统的输出，称为动力响应分析 。1.2 动

5、力学问题的基本特性第1章 概 论 1.2 动力学问题的基本特性1. 动力问题都包含时间变量2. 惯性力的存在 主要表现在两个方面：1.3 基本研究方法与分析模型第1章 概 论 1.3 基本研究方法与分析模型最基本的分析模型有两大类：连续系统模型离散系统模型第1章 概 论 1.4 振动的类型 4 振动的类型 振动过程是指振动位移、速度、加速度、力和应变等机械量随时间的变化历程。对振动过程，按不同的标准有多种分类方法。 a. b.4 振动的类型 c.4 振动的类型图1.1第1章 概 论 1.5 振动的表示方法 振动方程 周期与频率周期频率 复矢量表示简谐振动 当某一机械量 x随时间t按正弦或余弦规

6、律变化时，称之为简谐振动过程。 1.5 振动的表示方法 （1-1） （1-2） 旋转复矢量与简谐振动的关系1.5 振动的表示方法 （1-3）（1-4）称旋转复矢量 为复振动。进而可以写成以下形式 用复振动表示简谐过程，使许多振动问题的分析或运算得到简化，如用复振动表示的简谐振动的位移 、速度 及加速度 之间的关系为 上述三式表明，复振动的速度v(t)比位移x(t)在相位上超前 ；加速度a(t)又比速度v(t) 超前 .1.5 振动的表示方法 （1-7）（1-6）（1-5）第1章 概 论 1.6 振动的频谱 1.6 振动的频谱其中 在数学上，周期函数可展为傅里叶三角级数，设x(t)=x(t+kT

7、), k为整数，并令 , 则有（1-8）也可写成其中1.6 振动的频谱（1-9）（1-10） （1-11） 可见，一个周期振动过程可视为频率顺次为基频1 及其整数倍的若干或无数简谐振动分量的合成振动过程。 以f（或 ）为横坐标， cn和n为纵坐标，得到的 cnf 和 n f 图分别称为幅值谱和相位谱，统称为傅里叶频谱。 这些分量依据n =1，2，3, 分别称为基频分量、二倍频分量、三倍频分量等。基频分量有时称为基波，n倍频分量则称为n次谐波。 周期函数的的频谱总是由若干沿f轴离散分布的普线组成，普线长度分别代表频率分量的幅值和初相位。1.6 振动的频谱 正如简谐振动可以用复振动表示，周期振动也可采用复指数形式的傅里叶级数。 根据欧拉公式可知 将其代入（1-8）式，得 令（1-12）（1-13） 傅里叶级数的复指数形式 1.6 振动的频谱 则（1-12）可写为 （1-14）（1-15） （1-14）和（1-15）即为傅里叶级