Ansys 计算刚柔耦合矩阵系数
Ansys 计算刚柔耦合系数矩阵
文章目录
- Ansys 计算刚柔耦合系数矩阵
- 卫星的刚柔耦合动力学模型
- 采用 ANSYS 的 APDL 语言的计算方法
- 系统转动惯量的求解方法
- 参考文献
卫星的刚柔耦合动力学模型
-
柔性航天器的刚柔耦合动力学模型可以表示为
m v ˙ + B t r a n η ¨ = F J ω ˙ + ω × J ω + B r o t η ¨ + ω × B r o t η ˙ = T η ¨ + 2 ξ Ω η ˙ + Ω 2 η + B r o t T ω ˙ + B t r a n T v ˙ = 0 \begin{align} \boldsymbol{m}\dot{\boldsymbol{v}} + \boldsymbol{B}_{tran}\ddot{\boldsymbol{\eta}} &= \boldsymbol{F}\\ \boldsymbol{J}\dot{\boldsymbol{\omega}}+\boldsymbol{\omega}^\times\boldsymbol{J}\boldsymbol{\omega}+\boldsymbol{B}_{rot}\ddot{\boldsymbol{\eta}}+\boldsymbol{\omega}^\times\boldsymbol{B}_{rot}\dot{\boldsymbol{\eta}}&=\boldsymbol{T}\\ \ddot{\boldsymbol{\eta}}+2\boldsymbol{\xi}\boldsymbol{\Omega}\dot{\boldsymbol{\eta}}+\boldsymbol{\Omega}^2\boldsymbol{\eta}+\boldsymbol{B}_{rot}^T\dot{\boldsymbol{\omega}} + \boldsymbol{B}_{tran}^T\dot{\boldsymbol{v}}&=\boldsymbol{0} \end{align} mv˙+Btranη¨Jω˙+ω×Jω+Brotη¨+ω×Brotη˙η¨+2ξΩη˙+Ω2η+BrotTω˙+BtranTv˙=F=T=0
式中:- m \boldsymbol{m} m, J J J 分别表示柔性航天器的质量和转动惯量矩阵;
- v \boldsymbol{v} v, ω \boldsymbol{\omega} ω 分别表示航天器本体相对于惯性系的线速度和角速度矢量;
- F \boldsymbol{F} F, T \boldsymbol{T} T 分别表示航天受到的三轴控制力和控制力矩;
- η \boldsymbol{\eta} η, ξ \boldsymbol{\xi} ξ, Ω \boldsymbol{\varOmega} Ω 分别表示航天器的模态位移向量,柔性振动的阻尼比和频率矩阵;
- B t r a n = A ⋅ B t r a n b \boldsymbol{B}_{tran}=A\cdot \boldsymbol{B}_{tran}^b Btran=A⋅Btranb 为柔性附件在航天器坐标系中相对于航天器本体的平动耦合系数矩阵, A \boldsymbol{A} A为柔性附件坐标系到卫星坐标系的转移矩阵, B t r a n b \boldsymbol{B}_{tran}^b Btranb 为柔性附件在自身坐标系中相对于航天器本体的平动耦合系数矩阵;
- B r o t = l p × B t r a n + A B r o t b \boldsymbol{B}_{rot} = \boldsymbol{l}_p^\times \boldsymbol{B}_{tran} + \boldsymbol{A}\boldsymbol{B}_{rot}^b Brot=lp×Btran+ABrotb 为柔性附件在航天器坐标系中相对于坐标原点的转动耦合矩阵, l p \boldsymbol{l}_p lp 为由航天器质心指向柔性附件坐标原点的向量, × ^\times × 表示反对称矩阵, B r o t b \boldsymbol{B}_{rot}^b Brotb 为柔性附件在自身坐标系中相对于坐标原点的转动耦合系数。
-
B t r a n \boldsymbol{B}_{tran} Btran 和 B r o t \boldsymbol{B}_{rot} Brot 的表达式如式(4)和式(5)所示
B t r a n = [ B t r a n 1 B t r a n 2 ⋯ B t r a n i ⋯ B t r a n m ] T B r o t = [ B r o t 1 B r o t 2 ⋯ B r o t i ⋯ B r o t m ] \begin{align} \boldsymbol{B}_{tran} &= \begin{bmatrix} \boldsymbol{B}_{tran}^1 & \boldsymbol{B}_{tran}^2 & \cdots & \boldsymbol{B}_{tran}^i & \cdots & \boldsymbol{B}_{tran}^m \end{bmatrix}^T \\ \boldsymbol{B}_{rot} &= \begin{bmatrix} \boldsymbol{B}_{rot}^1 & \boldsymbol{B}_{rot}^2 & \cdots & \boldsymbol{B}_{rot}^i & \cdots & \boldsymbol{B}_{rot}^m \end{bmatrix} \end{align} BtranBrot=[Btran1Btran2⋯Btrani⋯Btranm]T=[Brot1Brot2⋯Broti⋯Brotm]
其中, m m m 为模态截断阶数;每个元素 B t r a n / r o t i \boldsymbol{B}_{tran/rot}^i Btran/roti 为 3 × 1 3\times1 3×1 的向量。 -
B t r a n i \boldsymbol{B}_{tran}^i Btrani 和 B r o t i \boldsymbol{B}_{rot}^i Broti 的表达式如式(6)和式(7)所示
B t r a n i = ∑ k = 1 n m k Φ k i = ∑ k = 1 n m k [ u k x i u k y i u k z i ] B r o t i = ∑ k = 1 m m k r k × Φ k i = ∑ k = 1 n m k [ 0 − r k z r k y r k z 0 − r k − r k y r k x 0 ] [ u k x i u k y i u k z i ] \begin{align} \boldsymbol{B}_{tran}^i &= \sum_{k=1}^nm_k\boldsymbol{\varPhi}_k^i = \sum_{k=1} ^n m_k\begin{bmatrix} u_{kx}^i \\ u_{ky}^i \\ u_{kz}^i\end{bmatrix} \\ \boldsymbol{B}_{rot}^i &= \sum_{k=1}^m m_k \boldsymbol{r}_k^\times\boldsymbol{\varPhi}_k^i = \sum_{k=1}^n m_k \begin{bmatrix} 0 & -r_{kz} & r_{ky} \\ r_{kz} & 0 & -r_k \\ -r_{ky} & r_{kx} & 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} u_{kx}^i \\ u_{ky}^i \\ u_{kz}^i \end{bmatrix} \end{align} BtraniBroti=k=1∑nmkΦki=k=1∑nmk ukxiukyiukzi =k=1∑mmkrk×Φki=k=1∑nmk 0rkz−rky−rkz0rkxrky−rk0 ukxiukyiukzi
其中, n n n 为柔性结构离散后单元总数, m k m_k mk 为第 k k k 个单元的质量, u k u_k uk 为第 k k k 个单元质心的位移, r k r_k rk 为第 k k k 个单元质心的位置。上述参量中,单元的质量和质心位置可直接从有限元模型中读取;单元的质心处位移需要在每阶模态的振型结果中读取。
采用 ANSYS 的 APDL 语言的计算方法
-
程序主要分为四部分
- 第一部分是建立结构有限元模型进行模态分析,不再赘述。
- 第二部分是采用 *get 命令提取所有单元的质量、质心坐标。
- 第三部分是在每阶振型下分别计算所有单元的位移,每个单元的位移取为单元所有节点的位移平均值。
- 第四部分是把所有单元质量、质心坐标和位移代入公式(4)和式(5)计算 B t r a n \boldsymbol{B}_{tran} Btran 和 B r o t \boldsymbol{B}_{rot} Brot 。
-
参考APDL代码
! ———————————————————— 计算平动耦合系数矩阵和转动耦合系数矩阵 ———————————————————— !!!!!!!!!!!!!!!!!!!! /POST1!——————————! 提取所有单元的质量、质心坐标 !——————————! *GET, Num_Element, ELEM, ,COUNT ! 获取模型中单元总数 *GET, cnt_element, ELEM, ,NUM,MIN ! 获取模型中第一个单元的编号 *DIM, Amat2, ,Num_Element,5 ! 定义一个二维矩阵 *DO, NE, 1,Num_Element,1 ! 遍历所有单元Amat2(NE, 1) = cnt_element ! 第1列存储当前单元编号*GET, volu_e, ELEM, cnt_element, VOLU ! 获取当前单元的体积*GET, mat_e, ELEM, cnt_element, ATTR,MAT ! 获取材料编号dens_e = mat_mp(mat_e,1) ! 密度 !! 注意,如果涉及多种密度,需要自定义一个矩阵,按材料序号顺序存放密度信息,比如这里的矩阵mat_mp,其第一列是密度信息。!!Amat2(NE, 2) = volu_e*dens_e ! 第2列存储当前单元质量! 获取单元质心位置*GET, cent_x, ELEM, cnt_element,CENT,X*GET, cent_y, ELEM, cnt_element,CENT,Y*GET, cent_z, ELEM, cnt_element,CENT,ZAmat2(NE, 3) = cent_x ! 第3列存储单元质心X轴位置Amat2(NE, 4) = cent_y ! 第4列存储单元质心Y轴位置Amat2(NE, 5) = cent_z ! 第5列存储单元质心Z轴位置*GET, cnt_element, ELEM,cnt_element,NXTH ! 获取下一个单元编号 *ENDDO *DMAT, TableA, D, ALLOC, Num_Element,5 *DO, i,1,Num_Element,1*DO,j,1,5,1TableA(i,j) = Amat2(i, j)*ENDDO *ENDDO *PRINT, TableA,TableA.txt!——————————! 从模态分析每一阶结果中提取单元的质心位移 !——————————! *DIM, Bmat3, ,Num_Element,4,Num_Modal ! 定义一个三维矩阵 !! Num_Modal为自定义 !! *DO, NM, 1,Num_Modal,1 ! 遍历所有模态SET,,,,,,,NM ! 从结果文件中读取指定编号的数据集*GET, cnt_element, ELEM, ,NUM,MIN ! 获取模型中第一个单元的编号*DO, NE, 1,Num_Element,1 ! 遍历所有单元Bmat3(NE, 1, NM) = cnt_element ! 第1列存储当前单元编号! 重置单元位移elem_x = 0elem_y = 0elem_z = 0ESEL,S,,,cnt_element ! 选择指定单元编号的单元NSLE,S,ALL ! 选择附属在单元上的所有节点*GET, Num_Node, NODE,,COUNT ! 获取节点总数*GET, cnt_node, NODE,,NUM,MIN ! 获取第一个节点的编号*DO,NN, 1,Num_Node,1 ! 遍历所有节点! 获取节点的位移*GET, node_x, NODE, cnt_node,U,X*GET, node_y, NODE, cnt_node,U,Y*GET, node_z, NODE, cnt_node,U,Z! 计算该单元中节点位移的总和elem_x = elem_x+node_xelem_y = elem_y+node_yelem_z = elem_z+node_zcnt_node = NDNEXT(cnt_node) ! 获取下一个节点编号*ENDDOBmat3(NE,2,NM) = elem_x/Num_Node ! 第2列存储当前单元X轴位移Bmat3(NE,3,NM) = elem_y/Num_Node ! 第3列存储当前单元Y轴位移Bmat3(NE,4,NM) = elem_z/Num_Node ! 第4列存储当前单元Z轴位移ESEL,ALL ! 重新选择所有单元*GET, cnt_element, ELEM,cnt_element,NXTH! 获取下一个单元编号*ENDDO *ENDDO *DMAT, TableB1, D, ALLOC, Num_Element,4 *DMAT, TableB2, D, ALLOC, Num_Element,4 *DO, i,1,Num_Element,1*DO,j,1,4,1TableB1(i,j) = Bmat3(i,j,1)TableB2(i,j) = Bmat3(i,j,2)*ENDDO *ENDDO *PRINT, TableB1,TableB.txt *PRINT, TableB2,TableB.txt!——————————! 计算平动与转动耦合系数矩阵 !——————————! *DMAT, Btran, D, ALLOC, 3,Num_Modal ! 定义平动耦合系数矩阵 *DMAT, Brot, D, ALLOC, 3,Num_Modal ! 定义转动耦合系数矩阵 !*DIM, Btran, ,3,Num_Modal !*DIM, Brot, ,3,Num_Modal *DO, NM,1,Num_Modal,1 ! 遍历模态! 重置平动标量tran_x = 0tran_y = 0tran_z = 0! 重置转动标量rot_x = 0rot_y = 0rot_z = 0*DO,NE,1,Num_Element,1 ! 遍历单元! 平动tran_x = tran_x+Amat2(NE,2)*Bmat3(NE,2,NM)tran_y = tran_y+Amat2(NE,2)*Bmat3(NE,3,NM)tran_z = tran_z+Amat2(NE,2)*Bmat3(NE,4,NM)! 临时变量tmp_x = Amat2(NE,4)*Bmat3(NE,4,NM)-Amat2(NE,5)*Bmat3(NE,3,NM)tmp_y = Amat2(NE,5)*Bmat3(NE,2,NM)-Amat2(NE,3)*Bmat3(NE,4,NM)tmp_z = Amat2(NE,3)*Bmat3(NE,3,NM)-Amat2(NE,4)*Bmat3(NE,2,NM)! 转动rot_x = rot_x+Amat2(NE,2)*tmp_xrot_y = rot_y+Amat2(NE,2)*tmp_yrot_z = rot_z+Amat2(NE,2)*tmp_z*ENDDOBtran(1,NM) = tran_xBtran(2,NM) = tran_yBtran(3,NM) = tran_zBrot(1,NM) = rot_xBrot(2,NM) = rot_yBrot(3,NM) = rot_z *ENDDO!——————————! 输出平动与转动耦合系数矩阵 !——————————! *PRINT, Btran, Btran.txt *PRINT,Brot,Brot.txtFINISH
系统转动惯量的求解方法
-
采用apdl命令
!——————————! 续:求总质量及质心坐标 !——————————! ! mass_total = 0 sum_mx = 0 sum_my = 0 sum_mz = 0 *DO, i, 1, Num_Element, 1 mass_total = mass_total + Amat2(i, 2) ! 累加总质量 sum_mx = sum_mx + Amat2(i, 2)*Amat2(i, 3) ! 累加 X 坐标的加权值 sum_my = sum_my + Amat2(i, 2)*Amat2(i, 4) ! 累加 Y 坐标的加权值 sum_mz = sum_mz + Amat2(i, 2)*Amat2(i, 5) ! 累加 Z 坐标的加权值 *ENDDO ! 计算质心坐标 centriod_x = sum_mx/mass_total ! 计算质心 X 坐标 centriod_y = sum_my/mass_total ! 计算质心 Y 坐标 centriod_z = sum_mz/mass_total ! 计算质心 Z 坐标 ! 输出 *DMAT, MassCentriod, D, ALLOC, 1,4 MassCentriod(1,1) = mass_total MassCentriod(1,2) = centriod_x MassCentriod(1,3) = centriod_y MassCentriod(1,4) = centriod_z *PRINT, MassCentriod, MassCentriod.txt !——————————! 续:求整个模型所有单元的总转动惯量 !——————————! ! 相对原点 Io_xx = 0 $ Io_yy = 0 $ Io_zz = 0 Io_xy = 0 $ Io_xz = 0 $ Io_yz = 0 *DO, i, 1, Num_Element, 1 mass_e = Amat2(i, 2)cent_x = Amat2(i, 3)cent_y = Amat2(i, 4)cent_z = Amat2(i, 5)Io_xx = Io_xx + mass_e*(cent_y*cent_y+cent_z*cent_z)Io_yy = Io_yy + mass_e*(cent_x*cent_x+cent_z*cent_z)Io_zz = Io_zz + mass_e*(cent_x*cent_x+cent_y*cent_y)Io_xy = Io_xy + mass_e*(cent_x*cent_y)Io_xz = Io_xz + mass_e*(cent_x*cent_z)Io_yz = Io_yz + mass_e*(cent_y*cent_z) *ENDDO ! 相对质心 Ic_xx = 0 $ Ic_yy = 0 $ Ic_zz = 0 Ic_xy = 0 $ Ic_xz = 0 $ Ic_yz = 0 *DO, i, 1, Num_Element, 1 mass_e = Amat2(i, 2)cent_x = Amat2(i, 3) - centriod_xcent_y = Amat2(i, 4) - centriod_ycent_z = Amat2(i, 5) - centriod_zIc_xx = Ic_xx + mass_e*(cent_y*cent_y+cent_z*cent_z)Ic_yy = Ic_yy + mass_e*(cent_x*cent_x+cent_z*cent_z)Ic_zz = Ic_zz + mass_e*(cent_x*cent_x+cent_y*cent_y)Ic_xy = Ic_xy + mass_e*(cent_x*cent_y)Ic_xz = Ic_xz + mass_e*(cent_x*cent_z)Ic_yz = Ic_yz + mass_e*(cent_y*cent_z) *ENDDO ! 输出 *DMAT, Io, D, ALLOC, 3,3 Io(1,1)=Io_xx $ Io(1,2)=-Io_xy $ Io(1,3)=-Io_xz Io(2,1)=-Io_xy $ Io(2,2)=Io_yy $ Io(2,3)=-Io_yz Io(3,1)=-Io_xz $ Io(3,2)=-Io_yz $ Io(3,3)=Io_zz *PRINT, Io, Io.txt *DMAT, Ic, D, ALLOC, 3,3 Ic(1,1)=Ic_xx $ Ic(1,2)=-Ic_xy $ Ic(1,3)=-Ic_xz Ic(2,1)=-Ic_xy $ Ic(2,2)=Ic_yy $ Ic(2,3)=-Ic_yz Ic(3,1)=-Ic_xz $ Ic(3,2)=-Ic_yz $ Ic(3,3)=Ic_zz *PRINT, Ic, Ic.txt
参考文献
[^1]: 卫晓娜,董云峰.基于ANSYS的平动和转动耦合系数矩阵计算[C]//北京力学会,北京振动工程学会.北京力学会第21届学术年会暨北京振动工程学会第22届学术年会论文集.北京航空航天大学宇航学院;,2015:758-760.
[^2]: 郭江.卫星挠性附件平动转动耦合系数的有限元分析[D].南京理工大学,2019.DOI:10.27241/d.cnki.gnjgu.2019.002186.
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在c语言中,每个变量和函数都有两个属性:数据类型和数据的存储类别 C的存储类别包括4种:自动挡(auto)、静态的(static)、寄存器的(register)、外部的(extern&…...
软考软件评测师——计算机组成与体系结构(分级存储架构)
一、虚拟存储技术 虚拟存储系统通过软硬件协同实现内存扩展,其核心特征包括: 逻辑容量扩展能力:实际物理内存与外存结合,呈现远大于物理内存的连续地址空间动态加载机制:程序运行时仅加载必要部分到内存,…...
需求跟踪矩阵准确性的5大策略
需求跟踪矩阵的准确性可显著提升软件项目质量,确保需求的全面覆盖、减少遗漏和偏差,有利于优化变更管理,降低返工风险,最终保障产品符合用户预期和业务目标。如果不能保证跟踪矩阵的准确性,可能会导致需求遗漏、测试覆…...
【调度算法】MAPF多智能体路径规划问题
参考链接:https://blog.csdn.net/qq_43353179/article/details/129396325 在这篇博客的基础上对一些省略的部分进行补充。 网站:https://mapf.info/ 可行性判断 1. k-鲁棒性(k-robust MAPF) 在经典 MAPF 中,只要所有…...
迅龙3号基于兆讯MH22D3适配CST328多点触摸驱动开发笔记
MH22D3芯片是兆讯公司新推出的基于cortex-M3内核的新一代芯片,专注于显示应用,其主频高达216Mhz,64KB SRAM,512KB Flash,开发UI应用游刃有余。详细介绍请看:MH22D3新一代显控应用性价比之王 新龙微基于MH22…...
推荐算法工程化:ZKmall模板商城的B2C 商城的用户分层推荐策略
在 B2C 电商竞争激烈的市场环境中,精准推荐已成为提升用户体验、促进商品销售的关键。ZKmall 模板商城通过推荐算法工程化手段,深度挖掘用户数据价值,制定科学的用户分层推荐策略,实现 “千人千面” 的个性化推荐,帮助…...
你对于JVM底层的理解
JVM(Java虚拟机)是一个执行Java字节码的虚拟机,负责将Java程序的代码转化为能够在不同操作系统上运行的机器码。为了深入理解JVM的底层工作原理,可以从以下几个方面入手: 1. 类加载机制 JVM的类加载机制是其核心之一…...
深入探讨 Java 性能术语与优化实践
在 Java 开发中,性能优化是确保应用程序高效运行的关键。无论是构建实时处理系统还是大规模分布式服务,理解性能术语和分析方法都至关重要。本文将详细介绍 Java 性能中的核心术语,包括延迟(Latency)、吞吐量(Throughput)、利用率(Utilization)、效率(Efficiency)、…...
简单介绍Qt的属性子系统
深入理解Qt的属性系统 笔者最近正在大规模的开发Qt的项目和工程,这里笔者需要指出的是,这个玩意在最常规的Qt开发中是相对比较少用的,笔者也只是在Qt的QPropertyAnimation需要动画感知笔者设置的一个属性的时候方才知道这个东西的。因此&…...
【PmHub后端篇】PmHub中基于自定义注解和AOP的服务接口鉴权与内部认证实现
1 引言 在现代软件开发中,尤其是在微服务架构下,服务接口的鉴权和内部认证是保障系统安全的重要环节。本文将详细介绍PmHub中如何利用自定义注解和AOP(面向切面编程)实现服务接口的鉴权和内部认证,所涉及的技术知识点…...
消息~组件(群聊类型)ConcurrentHashMap发送
为什么选择ConcurrentHashMap? 在开发聊天应用时,我们需要存储和管理大量的聊天消息数据,这些数据会被多个线程频繁访问和修改。比如,当多个用户同时发送消息时,服务端需要同时处理这些消息的存储和查询。如果用普通的…...
掌控随心 - 服务网格的流量管理艺术 (Istio 实例)
掌控随心 - 服务网格的流量管理艺术 (Istio 实例) 想象一下,没有服务网格的时候,我们要实现像“将 1% 的用户流量导入到新版本应用”、“根据用户设备类型访问不同后端”、“模拟下游服务故障”这类高级流量策略,通常需要在代码、负载均衡器、API 网关等多个地方进行复杂且分…...
Github 2025-05-13 Python开源项目日报 Top10
根据Github Trendings的统计,今日(2025-05-13统计)共有10个项目上榜。根据开发语言中项目的数量,汇总情况如下: 开发语言项目数量Python项目10TypeScript项目1 ComfyUI:强大而模块化的稳定扩散GUI 创建周期:399 天开…...
Spring Boot 自动装配原理详解
Spring Boot 的自动装配(Auto-Configuration)是其核心特性之一,它极大地简化了 Spring 应用的配置过程。通过自动装配,Spring Boot 能够根据项目中的依赖(例如,添加了 Spring Data JPA 依赖后自动配置数据库…...