计入热梯度的圆环结构热致振动分析

王 祥， 金栋平

(南京航空航天大学 机械结构力学及控制国家重点实验室，南京 210016)

大型空间结构在轨运行时，一旦进出地球阴影，结构会由于温度骤变而受到热冲击作用，引起结构的热变形、热致振动等现象。1956年，Boley[1]首次研究了梁结构的热致振动问题，提出了判断结构发生热致振动的参数。1969年，Yu[2]考虑端部带有集中质量的悬臂梁模型，揭示了热弯矩引起的热颤振现象。1990年，美国哈勃太空望远镜(Hubble Space Telescope，HST)在进出地球阴影时太阳翼产生抖动，引发学者们对热致振动的关注。1993年，Thornton等[3]采用简化的梁模型分析了HST太阳翼非耦合与耦合情形下的热-结构动力学响应。后来，丁勇等[4-5]发展了一种“Fourier温度单元”，并用于HST太阳翼等空间结构的热致振动分析。该单元通过增加节点自由度数，将薄壁杆件的二维温度场问题转化为一维温度场问题，使温度场和结构的分析得以在梁单元网格下进行。Li等[6]基于有限元模型和模态分析方法对空间结构热致振动的稳定性问题进行了分析。最近，Zhang等[7-8]基于带末端集中质量的悬臂梁模型，采用加权余量求近似解的方法，分析了悬臂梁结构的热颤振稳定性。Shen等[9]建立了空间自旋航天器的热-结构耦合模型，并采用基于绝对节点坐标的有限元方法分析了结构的动态响应。Guo等[10]采用有限元法分析了天线索网结构受极端热载荷下的热变形，但未考虑热-结构之间的耦合效应。

大型空间可展开结构通常是由大量的梁、板、索网、运动副等组成的周期性结构，基于有限元方法的动力学模型自由度高达104～105，无法解释参数对结构动力学本质的影响[11]。……