炮身沿摇架大位移后坐系统的时空有限元建模方法研究

论文摘要

本文以某国防项目为研究背景,利用理论分析、数值计算和实验测试相结合的方法,按照循序渐进的思路对炮身沿摇架大位移后坐系统的时空有限元建模理论与方法进行探讨研究。对时空有限元法的基本建模理论进行了讨论分析,结合经典的移动惯性载荷作用下弦的振动问题,编制了求解结构动力学问题的时空有限元算法程序,基于经典算例,将计算结果与精确解、Newmark法、Wilson-θ法、中心差分法等进行比较分析,验证该算法的精度和稳定性。建立了移动力/移动质量作用下的简支梁和悬臂梁的时变力学模型,在传统有限元质量矩阵和刚度矩阵的基础上,利用迭代格式对位移和速度进行更新,推导出每个时间步上的时空质量矩阵和刚度矩阵,以简支梁和悬臂梁为例,计算移动力/移动质量以一定的速度匀速通过时的动力响应,并与精确解、Newmark法、Wilson-θ法等进行分析对比,进一步验证时空有限元法的有效性。建立了炮身沿摇架大位移后坐的时变动力学模型,给出了相应的时空有限元数值算法,将摇架简化成悬臂梁,炮身分别用移动刚体、移动簧载质量、移动簧载刚体、移动梁等来模拟,利用时空有限元法进行时域和空间域的离散,获得了时变动力学方程组,通过数值计算得到了炮身沿摇架大位移后坐的动力响应。对炮身沿摇架大位移后坐的振动特性进行了测试研究,将理论计算与实验结果进行对比分析,验证了理论建模的正确性。本文取得的炮身沿摇架大位移后坐时变系统的时空有限元数值计算初步成果对深入开展火炮大位移时变动力学设计理论研究具有一定的借鉴作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 选题的背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 时空有限元法研究现状
• 1.2.2 移动载荷问题研究现状
• 1.2.3 身管振动问题研究现状
• 1.3 本文的主要研究内容
• 2 时空有限元法的基本理论
• 2.1 弦的振动
• 2.2 时空有限元法
• 2.2.1 弦的离散
• 2.2.2 带有移动质量的弦的离散
• 2.2.3 时空有限元法求解步骤
• 2.3 算法的计算稳定性和计算精度的讨论
• 2.3.1 计算稳定性讨论
• 2.3.2 计算精度的讨论
• 2.4 不同算法精度的算例对比
• 2.4.1 无阻尼单自由度结构自由振动
• 2.4.2 有阻尼单自由度结构自由振动
• 2.5 数值算例
• 2.5.1 算例一
• 2.5.2 算例二
• 2.6 本章小结
• 3 移动质量作用下梁的时空有限元数值分析
• 3.1 移动力作用下梁的振动
• 3.1.1 移动力作用下简支梁的振动
• 3.1.2 移动力作用下悬臂梁的振动
• 3.2 移动质量作用下梁的振动
• 3.2.1 移动质量作用下简直梁的振动
• 3.2.2 移动质量作用下悬臂梁的振动
• 3.3 时空有限元法的实现
• 3.3.1 Bernoulli-Euler梁的时空域离散
• 3.3.2 移动质量作用下Bernoulli-Euler梁的离散
• 3.3.3 时空有限元法编程
• 3.4 梁的时空有限元数值结果
• 3.4.1 移动力作用下梁的振动数值分析
• 3.4.2 移动质量作用下梁的振动数值分析
• 3.5 本章小结
• 4 炮身沿摇架大位移后坐时变力学建模与数值求解
• 4.1 炮身沿摇架大位移后坐系统的时变刚度矩阵和质量矩阵建模
• 4.1.1 炮身大位移后坐时变系统的简化
• 4.1.2 几种模型说明
• 4.2 移动刚体作用下悬臂梁的响应
• 4.2.1 振型分解法求解
• 4.2.2 时空有限元法求解
• 4.2.3 悬臂梁响应的数值分析
• 4.3 簧载移动刚体作用下悬臂梁的响应
• 4.3.1 移动簧载质量作用下悬臂梁响应
• 4.3.2 移动簧载刚体作用下悬臂梁响应
• 4.4 移动梁作用下悬臂梁的响应
• 4.4.1 移动梁作用在梁上的系统动力学方程
• 4.4.2 时变刚度矩阵和质量矩阵建模
• 4.4.3 基于时空有限元法的炮身沿摇架大位移后坐时变力学数值计算
• 4.5 炮身沿摇架大位移后坐时变力学实验研究
• 4.5.1 实验原理及测试方案
• 4.5.2 测试系统
• 4.5.3 实验结果与分析
• 4.6 本章小结
• 5 总结
• 5.1 本文主要研究结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献