結構動力學及其在航天工程中的套用

《結構動力學及其在航天工程中的套用》是2015年出版的圖書，作者是邱吉寶、張正平、向樹紅、李海波。

基本介紹

• 中文名：結構動力學及其在航天工程中的套用
• 作者：邱吉寶、張正平、向樹紅、李海波
• 出版社：中國科學技術大學出版社 
• 出版時間：2015年1月
• 定價：180 元
• 裝幀：精裝
• ISBN：978-7-312-03625-5

內容簡介

本書系統地介紹了結構動力學的基本原理、計算方法與試驗技術，包括：複雜結構多自由度系統運動方程的建立方法，多自由度系統特別是自由度數很大系統的振動分析方法，複雜結構動力學問題的工程解決方法，確定的線性結構系統在隨機激勵作用下隨機回響的分析方法；同時，結合作者的研究成果和實踐經驗，以航天飛行器為研究對象，介紹結構動力學在航天工程中的套用，包括：運載火箭結構動力學建模技術，航天飛行器動態回響（載荷）分析技術，全箭模態試驗、振動試驗、多維振動試驗技術以及結構動態試驗仿真技術，以增進解決工程問題的能力.

本書可供航空、航天、海洋、交通、機械、建築、化工、能源等領域的工程設計人員、研究人員、本科生、研究生、大學教師參考.

圖書目錄

序1(1)

序2(3)

序3(5)

前言(7)

第1章複雜結構動力學概述(1)

1.1結構動力學研究的基本內容(1)

1.2動態載荷(4)

1.3數學模型(4)

1.4結構動力學試驗(7)

1.5太空飛行器動態設計方法(8)

1.5.1太空飛行器力學環境(9)

1.5.2器箭耦合載荷分析(10)

1.5.3器箭載荷分析循環(13)

1.5.4器箭載荷分析循環實例(15)

1.6太空飛行器結構振動與控制系統的耦合(17)

第2章單自由度系統振動(19)

2.1自由振動(19)

2.1.1無阻尼系統的自由振動(20)

2.1.2黏性阻尼系統的自由振動(21)

2.1.3結構阻尼系統的自由振動(26)

2.2簡諧激勵的回響分析(27)

2.2.1無阻尼系統回響(27)

2.2.2黏性阻尼系統對簡諧激勵的回響(28)

2.2.3黏性阻尼系統復頻回響(29)

2.2.4結構阻尼系統復頻回響(32)

2.3周期激勵的回響(33)

2.4任意激勵的回響時域分析(35)

2.4.1單位脈衝回響(35)

2.4.2杜阿梅爾（Duhamel）積分(36)

2.4.3傳遞函式(37)

2.5任意激勵的回響頻域分析(38)

2.5.1任意激勵力的傅立葉積分表示法(38)

2.5.2頻響函式(39)

第3章連續系統的振動(41)

3.1連續系統與離散系統的關係(41)

3.2桿的縱向振動(44)

3.2.1振動方程(44)

3.2.2固有頻率和主振型(45)

3.2.3主振型的正交性(49)

3.2.4強迫振動(51)

3.3梁的橫向振動(56)

3.3.1橫向振動微分方程(56)

3.3.2固有頻率和主振型(57)

3.3.3主振型的正交性(61)

3.3.4梁橫向振動的強迫回響(63)

3.3.5固有頻率的變分式(68)

3.3.6複雜邊界的梁的固有振動(72)

3.3.7軸向力的影響(75)

3.3.8轉動慣量與剪下變形的影響(78)

3.3.9梁的雙橫向耦合振動(82)

3.3.10考慮剪下變形和轉動慣性矩影響(84)

3.4板的橫向振動(86)

3.4.1板的振動方程(86)

3.4.2矩形板的自由振動(87)

3.4.3固有頻率的變分式(90)

3.4.4薄板主振型的正交性(92)

3.4.5薄板的強迫振動(94)

3.4.6圓板的振動(97)

3.5彈性動力學(102)

3.5.1三維彈性體動力學方程(102)

3.5.2自由振動(104)

3.5.3固有頻率變分式(104)

3.5.4主振型的正交性(106)

3.5.5回響分析(108)

第4章多自由度系統運動方程(111)

4.1直接法(113)

4.1.1達朗貝爾原理的套用(113)

4.1.2影響係數法(115)

4.2離散系統的拉格朗日方程與哈密頓原理(120)

4.2.1一般情況的拉格朗日方程(120)

4.2.2微幅振動情況(124)

4.2.3哈密頓原理(127)

4.2.4能量原理(130)

4.3連續系統能量泛函變分原理及其近似方法(133)

4.3.1以位移表示的彈性動力學方程(133)

4.3.2瞬時虛位移原理(133)

4.3.3瞬時最小勢能原理(134)

4.3.4哈密頓原理(137)

4.3.5連續系統的拉格朗日方程(139)

4.3.6特徵值變分式的一般性質(141)

4.3.7固有頻率的近似解法(147)

4.3.8假設模態法(162)

4.4有限元法(168)

4.4.1平面桿件系統有限元法求解動力學問題的基本思想(168)

4.4.2平面剛架(176)

4.5方差泛函變分原理與假設模態加權殘值法(179)

4.5.1方差泛函零極小值原理(180)

4.5.2最小二乘法(184)

4.5.3廣義伽遼金原理(190)

4.5.4加權殘值法(200)

4.6差分法(205)

4.7遷移矩陣法(206)

第5章多自由度系統的振動(213)

5.1無阻尼系統的固有頻率(214)

5.2標準特徵值與廣義特徵值問題(216)

5.2.1標準特徵值問題(216)

5.2.2實對稱矩陣的標準特徵值問題(220)

5.2.3廣義特徵值問題(223)

5.3主模態（主振型）的正交性(224)

5.3.1主模態（主振型）(224)

5.3.2主模態的正交性(227)

5.3.3模態矩陣與譜矩陣(229)

5.3.4固有頻率相等時的主模態(233)

5.3.5固有頻率為零的主模態(237)

5.3.6純靜態位移(245)

5.4無阻尼系統模態坐標解耦方程(246)

5.4.1慣性耦合與彈性耦合(246)

5.4.2坐標變換(248)

5.4.3模態坐標變換(249)

5.4.4一般情況的模態坐標變換(252)

5.5無阻尼系統對初始條件的回響(252)

5.6無阻尼系統對簡諧激振的穩態回響(256)

5.7無阻尼系統對任意激振的回響(261)

5.7.1時域分析與系統的單位脈衝回響函式(261)

5.7.2頻域分析(263)

5.7.3模態分析的一般步驟(266)

5.8經典黏性阻尼系統振動(266)

5.8.1經典模態方法(266)

5.8.2系統的自由衰減振動(268)

5.8.3系統對簡諧激振的回響(270)

5.8.4系統對任意激振的回響(278)

5.8.5頻域分析(282)

5.9一般黏性阻尼系統振動——狀態空間法(283)

5.9.1復特徵值、復特徵向量及復模態矩陣(284)

5.9.2復特徵向量對於矩陣A和B的正交性(286)

5.9.3復模態坐標變換(290)

5.9.4系統的自由衰減振動(291)

5.9.5系統對簡諧激振的回響及頻響函式(295)

5.9.6系統對任意激振的回響(296)

5.9.7非對稱的M，C，K矩陣情況(299)

5.10一般黏性阻尼系統振動——物理空間法(305)

5.10.1狀態空間法存在的問題(305)

5.10.2動力學方程的三種形式(307)

5.10.3復特徵值和特徵向量(308)

5.10.4預解式法(310)

5.10.5重要的譜展開式(312)

5.10.6正交性補充關係式(314)

5.10.7狀態空間解耦方程的補充證明(315)

5.10.8物理空間解耦方程(317)

5.10.9實參數二階微分解耦方程(318)

5.10.10系統的自由衰減振動(322)

5.10.11系統對任意激勵的回響(322)

5.10.12系統對簡諧激勵的回響與復頻響函式(323)

5.10.13採用一般模態法分析經典黏性阻尼系統(326)

5.10.14非對稱的M，C，K矩陣情況(331)

5.11一般黏性阻尼系統振動拉普拉斯變換法(337)

5.12具有結構阻尼的多自由度系統振動(343)

5.13直接積分法(345)

5.13.1中心差分法(345)

5.13.2用逐步積分法求解動力回響(347)

5.13.3化為一階方程組求解動力回響——龍格庫塔方法和基爾方法(353)

第6章實用的結構動力學分析方法(358)

6.1結構動力學問題求解方法(359)

6.1.1採用選定邊界模態的結構動力學問題求解方法(359)

6.1.2採用虛擬約束邊界模態的結構動力學問題求解方法(363)

6.1.3採用混合模態的結構動力學問題求解方法(368)

6.2模態截斷法(370)

6.2.1模態位移法(371)

6.2.2模態加速度法(374)

6.2.3無阻尼系統的高精度方法(378)

6.2.4一般情況無阻尼系統的高精度方法(381)

6.3基礎激勵結構動力學問題求解新方法(385)

6.3.1模態坐標半解耦方程與模態有效質量(386)

6.3.2主要模態的選取(390)

6.3.3靜定邊界的模態有效質量矩陣(390)

6.4凝聚法(397)

6.4.1靜態凝聚(397)

6.4.2質量凝聚(398)

6.4.3精確動力凝聚(400)

6.5瑞利法與里茨法(405)

6.5.1瑞利法(405)

6.5.2里茨法(409)

6.6矩陣疊代法(414)

6.7子空間疊代法(420)

第7章動態子結構法(426)

7.1引言(426)

7.2約束子結構超單元法(431)

7.2.1靜力變換超單元法(432)

7.2.2定頻動力變換超單元法(434)

7.2.3精確動力變換超單元法(436)

7.3約束子結構模態綜合法(438)

7.3.1赫鐵方法(438)

7.3.2克雷格班普頓方法(443)

7.3.3幾種改進的方法(447)

7.4採用約束界面模態的精確動態子結構方法及其近似(452)

7.4.1胡海昌方法(452)

7.4.2採用約束界面模態的精確動態子結構方法(455)

7.4.3採用約束界面模態的高精度模態綜合法(459)

7.4.4約束界面模態綜合法(464)

7.5自由子結構模態綜合法(468)

7.5.1霍方法(468)

7.5.2麥克尼爾、羅賓、克雷格陳和王文亮的改進方法(472)

7.6採用自由界面模態的精確動態子結構方法及其近似(481)

7.6.1自由界面精確動態子結構方法(481)

7.6.2採用自由界面模態的高精度模態綜合法(483)

7.7頻響函式矩陣直接綜合法(490)

7.8混合界面子結構模態綜合法(494)

7.8.1子結構分析(494)

7.8.2系統綜合(498)

7.8.3一階近似混合界面模態綜合法(501)

7.8.4混合界面子結構精確綜合法與約束子結構和自由子結構綜合法的關係(501)

7.9採用混合模態的精確動態子結構方法及其近似(505)

7.9.1採用混合模態的精確動態子結構方法(505)

7.9.2近似的混合模態綜合法(515)

7.10小結(522)

第8章隨機振動(525)

8.1隨機變數與隨機過程(526)

8.1.1隨機變數(526)

8.1.2隨機變數的數字特徵(528)

8.1.3幾種重要的分布函式(530)

8.1.4隨機過程(532)

8.2平穩隨機過程的相關函式與功率譜函式(535)

8.2.1自相關函式與自協方差函式(536)

8.2.2互相關函式與互協方差函式(539)

8.2.3自功率譜密度函式(541)

8.2.4互功率譜密度函式(545)

8.3單自由度系統平穩隨機回響(546)

8.3.1脈衝回響函式(546)

8.3.2脈衝回響函式和頻率回響函式之間的轉換(548)

8.3.3系統在時域內的回響(549)

8.3.4系統在頻域內的回響(551)

8.3.5平穩隨機回響的特性(552)

8.4離散系統平穩隨機回響(554)

8.4.1平穩隨機回響一般的直接分析方法(554)

8.4.2經典黏性阻尼系統模態疊加法(558)

8.4.3非經典黏性阻尼系統模態對位移疊加法(562)

8.5連續系統平穩隨機回響(571)

8.5.1平穩隨機回響直接分析方法(571)

8.5.2經典黏性阻尼系統梁的橫向振動模態疊加法(575)

8.5.3非經典黏性阻尼系統模態對位移疊加法(580)

8.6結構平穩隨機回響的虛擬激勵法(585)

8.6.1結構受單點平穩激勵的隨機回響(585)

8.6.2經典黏性阻尼離散系統模態疊加法(588)

8.6.3非經典黏性阻尼離散系統模態對位移疊加法(589)

8.6.4經典黏性阻尼連續系統模態疊加法(590)

8.6.5非經典黏性阻尼連續系統模態對位移疊加法(591)

8.6.6虛擬激勵法與傳統算法計算效率的比較(592)

8.7隨機振動計算結果的套用(593)

8.7.1首次穿越破壞問題(594)

8.7.2隨機疲勞累積損傷問題(595)

8.7.3人體對隨機振動的承受能力(596)

第9章運載火箭結構動力學建模技術(597)

9.1國外動力學建模技術研究現狀(597)

9.1.1土星Ⅰ火箭(598)

9.1.2土星Ⅴ火箭(598)

9.1.3大力神Ⅲ火箭(599)

9.1.4宇宙神Ⅱ火箭(599)

9.1.5太空梭(600)

9.1.6阿瑞斯火箭(600)

9.1.7HⅡ火箭(602)

9.1.8阿里安系列火箭(603)

9.2國內動力學建模技術研究現狀(604)

9.2.1基於梁模型的火箭建模方法(606)

9.2.2局部三維建模方法(607)

9.2.3三維建模實例(610)

9.2.4整星有限元三維建模實例(615)

9.3基於梁模型的火箭縱橫扭一體化建模技術(617)

9.3.1運載火箭動力學模型(617)

9.3.2蒙皮加筋圓柱殼彎曲剛度的等效方法(618)

9.3.3蒙皮加筋圓柱殼扭轉剛度的等效方法(621)

9.3.4蒙皮加筋圓柱殼拉壓剛度的等效方法(622)

9.3.5火箭結構一體化建模(622)

9.3.6推進劑耦合質量矩陣(628)

9.3.7算例分析(632)

9.4運載火箭三維建模方法(634)

9.4.1硬殼或半硬殼結構建模(635)

9.4.2夾層結構建模(636)

9.4.3發動機架及發動機建模(636)

9.4.4燃料液體建模(637)

9.4.5非結構質量建模(640)

9.4.6連線結構建模(640)

9.5小結(641)

第10章航天飛行器動態回響分析(644)

10.1引言(644)

10.2器箭耦合綜合方程(647)

10.2.1超單元法(647)

10.2.2分支混合綜合法(648)

10.2.3模態綜合法(649)

10.2.4整流罩和衛星約束子結構模態綜合法套用實例(650)

10.2.5CZ2F運載火箭模態綜合法回響分析套用實例(653)

10.2.6Ariane5運載火箭約束子結構模態綜合法簡介(656)

10.2.7CZ3B運載火箭星箭耦合載荷分析(657)

10.3採用剛體界面加速度的太空飛行器載荷估計方法(659)

10.3.1用有限元法導出的剛體界面加速度的太空飛行器載荷估計方法(660)

10.3.2用模態綜合法導出的剛體界面加速度的太空飛行器載荷估計方法(663)

10.4採用基礎激勵方法對無阻尼系統進行載荷二次分析(665)

10.4.1約束子結構模態綜合法(666)

10.4.2器箭界面綜合方程(669)

10.4.3太空飛行器載荷二次分析(671)

10.5採用超單元法對無阻尼系統進行載荷二次分析(674)

10.5.1器箭耦合全箭振動時的太空飛行器振動狀態(674)

10.5.2太空飛行器基礎激勵振動狀態(675)

10.6縱向振動回響分析桿模型數值仿真實例(677)

10.6.1再現全箭振動頻響函式的太空飛行器基礎激勵載荷二次分析(677)

10.6.2再現全箭振動回響的太空飛行器基礎激勵載荷二次分析(681)

10.7橫向振動回響分析數值仿真實例(684)

10.7.1地面振動試驗仿真計算模型(684)

10.7.2地面振動試驗仿真計算(686)

10.7.3星箭升空過程仿真計算(686)

10.7.4補充角運動條件的地面振動仿真計算(688)

10.8星箭界面環境與振動試驗條件等效性分析(690)

10.8.1CZ2F船箭界面環境與振動試驗條件分析(691)

10.8.2飛船在振動台上振動試驗回響分析(693)

10.8.3結果對比分析(694)

10.9小結(697)

第11章動態試驗技術(701)

11.1全箭模態試驗技術(701)

11.1.1試驗原理(701)

11.1.2試驗系統(705)

11.1.3試驗技術(708)

11.1.4試驗仿真分析技術(709)

11.2振動試驗技術(710)

11.2.1振動環境(711)

11.2.2振動環境模擬(711)

11.2.3振動試驗系統(715)

11.2.4試驗技術(721)

11.3多維振動試驗技術(722)

11.3.1試驗原理(723)

11.3.2試驗系統(727)

11.3.3試驗技術(729)

11.3.4多維振動試驗技術的套用(736)

第12章動態試驗仿真技術(737)

12.1動態試驗仿真技術研究的必要性(737)

12.1.1複雜結構動力學分析結果精度不能完全滿足設計要求(737)

12.1.2太空飛行器全尺寸地面動態試驗不能完全滿足設計技術的要求(741)

12.1.3太空飛行器結構動態試驗仿真技術(743)

12.2複雜結構模型修改技術(744)

12.2.1數學模型修改技術研究的重要性(744)

12.2.2試驗與分析數據相關性研究(745)

12.2.3數學模型誤差定位(747)

12.2.4數學模型修改方法(748)

12.2.5數學模型修改方法的局限性(750)

12.2.6複雜結構模型修改技術(752)

12.3模態試驗仿真技術(754)

12.3.1子結構試驗建模綜合技術(755)

12.3.2CZ2E運載火箭全箭模態試驗仿真預示(755)

12.3.3CZ2F運載火箭全箭模態試驗仿真(757)

12.4振動台試驗仿真技術(759)

12.4.1振動台振動試驗仿真技術研究(759)

12.4.2有限元數學模型修改(763)

12.4.3台面控制振動台試驗的計算機仿真技術的實現(767)

12.4.420t振動台空台試驗仿真(770)

12.4.540t振動台空台振動試驗仿真系統(771)

12.4.6D衛星振動台振動試驗仿真技術(771)

12.5全尺寸太空飛行器振動台多維振動試驗天地一致性研究(775)

12.5.1全尺寸太空飛行器多維振動台試驗系統回響分析(777)

12.5.2全尺寸太空飛行器多維振動台試驗一般系統回響的仿真分析(781)

12.5.3縱向振動太空飛行器桿模型振動台振動試驗的回響仿真分析實例(783)

12.6小結(791)