基于辛方法的超大超柔周期性空间结构波传播特性及调控研究

The super large, super flexible and periodic structure is one developing trend of the future spacecraft. Because of the giant size of the structure, the dynamic responses of the structure will propagate in the form of elastic wave. The wave propagation behavior of the structure will be significantly enhanced. It is more serious that the superposition of elastic waves and the convergence of wave energy will cause the failure of the structure. Therefore, the wave propagation behavior of the structure is the key problem in the analysis of structural dynamics. This research focuses on physical properties, such as the low frequency and dense distribution of the modal, of the super large, super flexible and periodic structure. Based on the Symplectic method, the dynamic model for the study of wave propagation of component/structure under the Symplectic system is reconstructed and the related numerical method is established. The wave propagation characteristics of components and structures will be studied in terms of the power flow redistribution mechanism near the joints, the band structure and wave propagation velocities and directions. The relationship between the wave propagation and material composition, topology and dimensions of the structures will be obtained. Based on the above research, the control measures of the wave propagation of the super large, super flexible and periodic space structure for different wave types and different control targets will be established. Finally, a set of distinctive analysis theory for the dynamic behavior of the large structure will be formed to provide theoretical basis for engineering applications.

超大、超柔周期性空间结构作为未来复杂航天器的发展趋势，由于构型巨大，在轨运行中的结构动响应是以弹性波的方式传播，结构的波动特征将显著增强。更为严重的是，弹性波的叠加和能量汇聚会引起局部结构的失效。因此，波传播特性是超大超柔周期性结构动力学分析的基础性问题。本研究针对超大、超柔周期性空间结构的低频频率、模态叠加等物理特性，通过将构件/结构的波传播动力学模型在辛体系下的重构，并建立相应的数值计算方法，分析构件连接边界处的能量重分布机制，以及周期结构的能带结构、波传播路径，解析结构的材料组成、拓扑构型与波传播特性之间的相互关系。在此基础上，提出面向不同波类型、不同调控手段、不同调控目标的超大、超柔周期性空间结构波传播调控机制，最终形成一套有特色的空间大型结构动力学行为分析方法，为工程实际提供理论基础。

超大尺度航天器是未来空间资源探索和利用的重要空间基础设施，大型化、模块化设计和周期性组装是其最为重要的几何特征。由于结构尺寸巨大且具有柔性，结构的动响应将以弹性波的方式传播，结构的波动行为将更加明显。更为严重的是，波动和振动将严重影响结构的正常运行，弹性波能量的汇聚将会引起局部结构的失效。因此，建立超大超柔结构中波传播的分析方法，得到其传播特性成为重要的研究课题。.本项目围绕上述问题开展研究，针对超大，超柔周期性空间结构的波传播特点，利用波的传播关系与辛方法广义变量传递关系的内在联系，构建基于哈密顿体系的波传播辛分析方法和计算模型，计算结构波传播行为，得到波动能量和传播路径的分布规律，研究结构几何构型和参数对波传播特性的影响规律，建立不同类型的波传播调控方法，最终形成了一套针对超大超柔周期性结构波传播的辛分析方法。.主要研究内容和研究成果包括：①建立了面向超大超柔周期性结构波动特性的辛分析方法；②得到了二维线性/非线性周期性结构的波传播特性；③建立了基于科赫分型晶格的波传播调控方法；④构建了基于温度场、局域共振原理和谷-霍尔效应的周期结构波传播与能量传输调控方法；⑤提出了基于三维手性立构性的空间可展开桁架结构设计方法，实现了低频隔振减振。.项目执行过程中共发表高水平论文17篇，其中SCI一区Top 9篇，包括动力学与控制、固体力学学科重要学术期刊Journal of Sound and Vibration、Nonlinear Dynamics、The Journal of the Acoustical Society of America、International Journal of Mechanical Sciences、Composite Structures等，授权/受理发明专利6项，获得陕西省科学技术一等奖1项和陕西高等学校科学技术一等奖1项，培养青年长江学者1名，培养博士研究生4名、硕士研究生11名。.本项目完全按照年度计划执行，每年按期提交年度报告，并圆满完成了原计划的所有研究内容。