复合柔性结构全局模态函数提取与状态空间模型构建

随着航空航天等领域中实际工程结构的大型化和柔性化,结构的非线性振动和主动振动控制问题越来越凸显.分析和处理此类结构出现的复杂振动问题的关键在于建立系统的非线性动力学模型与状态空间模型.对于由柔性部件、刚体、连接部件构成的复合柔性结构,由于各部件之间的振动耦合效应,单个柔性部件在悬臂、简支和自由等静定边界下的模态与结构的真实模态有较大差异.为此,本文提出复合柔性结构全局模态的解析提取方法,通过全局模态离散得到系统非线性动力学模型,从而构建状态空间模型.该方法采用笛卡尔坐标描述系统的运动,建立系统的运动方程;结合描述柔性部件的偏微分方程、刚体的常微分运动方程、连接界面处力、力矩、位移和转角的匹配条件以及系统的边界条件,利用分离变量法给出统一形式的频率方程,获取系统的固有频率和解析函数表征的全局模态.这里提出的全局模态提取方法不仅便于复合柔性结构固有频率和全局模态的参数化分析,而且为建立复合柔性结构低维非线性动力学模型和状态空间模型提供了有效的途径,对于推进这类结构的非线性动力学分析与主动振动控制研究具有重要意义.     

挠性航天器太阳翼全局模态动力学建模与实验研究

现代柔性航天器通常安装有大型太阳翼为其在轨运行提供所需动力. 航天器入轨后太阳翼展开并锁定成为铰链连接多板结构, 此类结构质量轻、跨度大、刚度低的特点使其低频振动和非线性振动问题越来越凸显. 分析和处理此类结构出现的复杂振动问题的关键在于建立系统精确的非线性动力学模型. 为此, 本文提出铰链连接多板结构解析全局模态的提取方法, 获取太阳翼的固有频率和解析函数表征的全局模态. 提出可变刚度的扭转弹簧等效模型, 考虑铰链非线性刚度及摩擦力矩等因素, 通过全局模态离散得到系统的低维高精度非线性动力学模型, 研究了太阳翼在周期激励作用下的非线性特性. 开展太阳翼地面振动实验研究, 采用锤击法获取系统模态, 利用振动台施加正弦扫频激励, 将物理实验结果与理论结果进行对比, 从而验证全局模态动力学建模方法的合理性与准确性. 结果表明, 铰链刚度等结构参数对系统固有特性的影响较大, 铰链的存在会使太阳翼的动态响应出现跳跃等非线性现象. 全局模态动力学建模方法能很好地解决多板结构在非经典边界下解析全局模态求解的困难, 系统全局模态反映的是系统各个部件弹性振动的真实模态, 所建立的动力学模型具有低维高精度的特点, 对于复杂组合结构非线性动力学建模具有重要的参考价值.      

基于假设模态加权的全局模态提取方法及其应用

假设模态法在单一梁、杆、索、板等柔性结构动力学建模中有广泛应用，但在处理组合结构振动问题时，常常因无法反映各部件之间的耦合作用使其应用受限。通过假设模态建立组合结构的近似动力学模型，利用近似模型求得系统的固有频率和相应的特征向量，据此可以有效地获得系统的全局模态。本文以跨中带有多个弹性支撑的简支梁为例，通过假设模态加权来提取系统的全局模态，从而建立系统的动力学模型。对系统进行固有特性分析的结果表明，通过假设模态加权可以方便地获得系统的全局模态；对系统动态响应分析的结果表明，采用本文提出的全局模态建立的非线性动力学模型可以有效地反映系统的非线性动力学特性。     

含间隙铰接的柔性航天器刚柔耦合动力学与控制研究

大型柔性航天器展开锁定后,运动副中仍存在大量无法消除的间隙. 铰链间隙直接影响柔性航天器的姿态 运动和有效载荷的指向精度及稳定度,会对航天器的动力学特性造成较大的影响. 针对这一问题, 提出一种含间隙铰 接的航天器刚柔耦合动力学建模与控制方法. 首先建立含间隙的铰链精确动力学模型,从而构建含间隙铰接的柔性结构 动力学模型. 然后利用哈密顿原理和模态离散方法,建立含间隙铰接柔性航天器离散形式的刚柔耦合非线性动力学 模型,采用 Newmark 算法对非线性动力学方程进行求解. 基于压电纤维复合材料 (macro fiber composite, MFC) 驱动器 构建航天器的刚-柔-电耦合动力学方程,采用最优控制设计控制律. 分析了铰链参数、中心刚体转动惯量、间隙尺寸和间隙数目对航天器动力学特性的影响,着重研究了铰链间隙对航天器姿态运动和结构振动的影响作用. 最后采用 MFC 驱动器对航天器施加主动控制. 结果表明,铰链参数和中心刚体转动惯量影响航天器的固有频率;随着铰链间隙尺寸的增大及间隙数目的增多,航天器的整体刚度逐渐减小,而航天器的姿态角和振动位移响应不断增大;通过基于 MFC 的主动控制,能够实现含间隙铰接航天器姿态运动与结构振动的协同控制,并缓解间隙对系统动态特性造成的影响.      

DYNAMICS AND CONTROL OF RIGID-FLEXIBLE COUPLING FLEXIBLE SPACECRAFT WITH JOINT CLEARANCE1)

大型柔性航天器展开锁定后,运动副中仍存在大量无法消除的间隙. 铰链间隙直接影响柔性航天器的姿态 运动和有效载荷的指向精度及稳定度,会对航天器的动力学特性造成较大的影响. 针对这一问题, 提出一种含间隙铰 接的航天器刚柔耦合动力学建模与控制方法. 首先建立含间隙的铰链精确动力学模型,从而构建含间隙铰接的柔性结构 动力学模型. 然后利用哈密顿原理和模态离散方法,建立含间隙铰接柔性航天器离散形式的刚柔耦合非线性动力学 模型,采用 Newmark 算法对非线性动力学方程进行求解. 基于压电纤维复合材料 (macro fiber composite, MFC) 驱动器 构建航天器的刚-柔-电耦合动力学方程,采用最优控制设计控制律. 分析了铰链参数、中心刚体转动惯量、间隙尺寸和间隙数目对航天器动力学特性的影响,着重研究了铰链间隙对航天器姿态运动和结构振动的影响作用. 最后采用 MFC 驱动器对航天器施加主动控制. 结果表明,铰链参数和中心刚体转动惯量影响航天器的固有频率;随着铰链间隙尺寸的增大及间隙数目的增多,航天器的整体刚度逐渐减小,而航天器的姿态角和振动位移响应不断增大;通过基于 MFC 的主动控制,能够实现含间隙铰接航天器姿态运动与结构振动的协同控制,并缓解间隙对系统动态特性造成的影响.     

螺栓连接大变形梁振动特性的实验与数值研究

螺栓连接的柔性梁既有非线性又有几何非线性,本文针对其动力学建模和振动特性开展了实验与数值研究。首先,搭建了含螺栓连接的柔性大变形梁的实验台架,并开展敲击和正弦激振的实验测试。实验结果表明:螺栓连接的柔性梁较(无螺栓连接的)连续梁的模态频率降低,阻尼增加,呈现出随着激励能量增大,模态频率降低的非线性模态特征。其次,为了建立大变形柔性梁的有效计算模型,采用了动坐标迭代法,并采用改进Iwan模型和库仑摩擦模型刻画连接部件的力学特性。最后,开展了数值计算,通过与实验测试结果对比表明:数值计算结果与实验测试结果误差在7%以内,所建立的柔性连接梁的计算模型能够有效准确地模拟含连接部件柔性梁的非线性模态和动力学响应特征。     

基于虚拟力概念的柔性臂空间机器人模糊退步自适应控制算法设计

讨论了漂浮基柔性臂空间机器人系统的动力学模拟、运动轨迹跟踪控制算法设计及柔性振动主动抑制。采用多体动力学建模方法并结合假设模态法,建立了漂浮基柔性臂空间机器人的系统动力学模型。基于该模型,针对系统惯性参数未知情况,提出了刚性运动基于模糊基函数网络自适应调节的退步控制算法,以完成柔性臂空间机器人载体姿态及机械臂各关节铰的协调运动。然后,为了主动抑制系统柔性振动,运用虚拟力的概念,构造了同时反映柔性模态和刚性运动轨迹的混合期望轨迹,通过改造原有的控制算法,提出了基于虚拟力概念的模糊退步自适应控制算法;这样不但保证了之前刚性运动控制方案对模型不确定的鲁棒性,而且能主动抑制柔性振动,从而提高了轨迹跟踪性能。理论分析及数值仿真算例均表明了控制方法的可行性。     

全弹性平面运动机器人的高精度运动控制和振动抑制算法研究

为实现对基座、关节和臂均存在弹性的空间机器人运动高精度控制及多重振动抑制,建立了基座、关节和臂全弹性空间机器人动力学模型,并采用运动有限维PD重复学习控制及振动同步抑制方案进行研究.首先,利用线性弹簧、扭转弹簧和欧拉-伯努力梁理论,假设模态法和动量守恒定律,采用拉格朗日方程建立了弹性基座、柔性关节和柔性臂空间机器人动力学模型,之后,选取反映柔性臂振动的前两阶模态及基座和关节刚性运动变量为慢变子变量,选取基座和关节弹性振动变量为快变子变量,根据奇异摄动理论将系统降维分解成慢、快变子系统.最后设计了慢变子系统的运动有限维PD重复学习控制及快变子系统的线性最优双重减振控制构成的总控制器.数值仿真结果验证了算法的有效性.     

移动柔性梁作用下简支梁的动力响应

对移动结构作用下梁的响应问题进行了推广,采用柔性梁作为移动结构模型,在考虑结构柔性和悬挂连接的前提下对系统的耦合振动进行了分析.根据一般边界条件梁建立振动方程,通过量纲一参数以及模态叠加法处理系统动力学方程.以简支边界条件为例,得到了梁响应的数值结果,对系统主要参数即移动结构频率、移动速度及连接刚度对简支梁振动的影响进行了讨论.结果表明:考虑移动体的柔性频率对简支梁的振动会产生一定的影响.     

考虑附加质量的中心刚体-柔性梁系统的动力学特性研究

对有附加质量的中心刚体-柔性梁系统的动力学特性进行了研究。柔性梁为等截面的Euler Bernoulli梁,针对柔性梁变形场使用假设模态法进行了离散,并运用第二类拉格朗日方程推导出系统的动力学方程后,采用Matlab编制了动力学仿真软件。首先讨论了附加质量对系统的固有频率与振型的影响,其次讨论了在大范围运动已知和未知的条件下,不同位置附加质量的中心刚体-柔性梁系统的刚柔耦合动力学特性,对带有附加质量的中心刚体-柔性梁系统的中心刚体转角、梁末端位移响应以及中心刚体角速度的仿真结果进行了分析。结果表明:附加质量从柔性梁固定端向自由端移动时,柔性梁前五阶固有频率近似地呈现周期性变化;附加质量所处位置的不同,对于系统的刚柔耦合动力学响应以及系统振型的影响十分明显。     

全柔性空间机器人运动振动一体化输入受限重复学习控制

探究基座、臂、关节全柔性影响下空间机器人动力学模拟、运动控制及基座、臂、关节三重柔性振动主动抑制的问题, 设计了不基于系统模型信息的运动振动一体化输入受限重复学习控制算法. 将柔性基座与关节等效为线性弹簧与扭转弹簧, 柔性臂视为欧拉-伯努利梁模型, 利用拉格朗日方程与假设模态法建立动力学模型, 然后, 用奇异摄动理论将模型分解为包含刚性变量与臂柔性振动的慢变子系统, 包含基座、关节柔性振动的快变子系统, 并分别设计相应的子控制器, 构成了带关节柔性补偿的一体化控制算法. 针对慢变子系统, 提出输入受限重复学习控制算法, 由双曲正切函数, 饱和函数与重复学习项构成, 双曲正切函数与饱和函数实现输入力矩受限要求, 重复学习项补偿周期性系统误差, 以完成对基座姿态、关节铰周期轨迹的渐进稳定追踪. 然而, 为了同时抑制慢变子系统臂的柔性振动, 运用虚拟力的概念, 构造同时反映臂柔性振动与系统刚性运动的混合轨迹, 提出了基于虚拟力概念的输入受限重复学习控制器, 保证基座、关节轨迹精确追踪的同时, 对臂的柔性振动主动抑制. 针对快变子系统, 采用线性二次最优控制算法抑制基座与关节的柔性振动. 仿真结果表明: 控制器适用于一般柔性非线性系统, 满足输入力矩受限要求, 实现对周期信号的高精度追踪, 有效抑制基座、臂、关节的柔性振动, 证实算法的可行性.      

DYNAMIC ANALYSIS OF FLEXIBLE BODY WITH DEFINITE MOVING ATTITUTE

The nonlinear dynamic control equation of a flexible multi-body system with definite moving attitude is discussed.The motion of the aircraft in space is regarded as known and the influence of the flexible structural members in the aircraft on the motion and attitude of the aircraft is analyzed.By means of a hypothetical mode,the defor- mation of flexible members is regarded as composed of the line element vibration in the axial direction of rectangular coordinates in space.According to Kane’s method in dy- namics,a dynamic equation is established,which contains the structural stiffness matrix that represents the elastic deformation and the geometric stiffness matrix that represents the nonlinear deformation of the deformed body.Through simplification the dynamic equation of the influence of the planar flexible body with a windsurfboard structure on the spacecraft motion is obtained.The numerical solution for this kind of equation can be realized by a computer.     

UNCONSTRAINED MODAL ANALYSIS OF DYNAMIC MODEL OF FLEXIBLE SPACECRAFT$^{\bf 1)}$

挠性航天器动力学建模中的挠性耦合影响系数是动力学建模中的重要力学概念,它反映了航天器姿态和轨道运动与挠性附件的弹性振动效应. 挠性耦合影响系数间的恒等式关系,即惯性完备性准则,是挠性航天器动力学模型降阶和模态截断的重要依据. 以中心刚体带挠性附件航天器为研究对象,采用约束模态和非约束模态法描述挠性附件结构变形,利用欧拉-拉格朗日方程建立挠性航天器的动力学模型. 基于 Hughes 的研究成果,对挠性航天器的非约束模态恒等式及其用于动力学模型降阶的惯性完备性准则进行了证明和应用研究. 探讨了两种动力学模型惯量间的关系,并利用约束模态惯性完备性准则,推导了非约束模态惯性完备性准则. 最后,对中心刚体带双侧太阳帆板和带单侧太阳帆板构成的挠性航天器模型进行数值仿真计算,求出挠性附件非约束模态平动耦合系数,分析了非约束模态特征值和平动耦合系数随着刚柔质量比的变化情况,并尝试用非约束模态惯性完备性准则的质量特征恒等式对挠性航天器模型进行了检验.     

挠性航天器动力学模型的非约束模态分析

挠性航天器动力学建模中的挠性耦合影响系数是动力学建模中的重要力学概念,它反映了航天器姿态和轨道运动与挠性附件的弹性振动效应. 挠性耦合影响系数间的恒等式关系,即惯性完备性准则,是挠性航天器动力学模型降阶和模态截断的重要依据. 以中心刚体带挠性附件航天器为研究对象,采用约束模态和非约束模态法描述挠性附件结构变形,利用欧拉-拉格朗日方程建立挠性航天器的动力学模型. 基于 Hughes 的研究成果,对挠性航天器的非约束模态恒等式及其用于动力学模型降阶的惯性完备性准则进行了证明和应用研究. 探讨了两种动力学模型惯量间的关系,并利用约束模态惯性完备性准则,推导了非约束模态惯性完备性准则. 最后,对中心刚体带双侧太阳帆板和带单侧太阳帆板构成的挠性航天器模型进行数值仿真计算,求出挠性附件非约束模态平动耦合系数,分析了非约束模态特征值和平动耦合系数随着刚柔质量比的变化情况,并尝试用非约束模态惯性完备性准则的质量特征恒等式对挠性航天器模型进行了检验.      

空间网格结构动力分析的非线性模态方法

空间网格结构因自由度数多且无简化的力学模型,非线性动力分析通常要耗费大量时间．传统的非线性模态方法用于求解多高层结构的局部非线性问题已获得良好的效果,但对系统非线性问题的应用尚缺少研究．对比分析多高层结构和空间网格结构动力性能差异,指出网格结构动力非线性分析存在的问题．以主振型理论和切线刚度分离法为基础,将非线性模态方法用于几何非线性效应显著的空间网格结构动力分析．通过对运动方程的非线性恢复力进行拆分,形成线性表达形式,然后解耦到主振型所在的广义坐标系,以达到缩减自由度数量的目的．并通过实例验证非线性模态方法的高效性与适用性．     

Control structure interaction in the nonlinear analysis of flexible mechanical systems

The effect of the control structure interaction on the feedforward control law as well as the dynamics of flexible mechanical systems is examined in this investigation. An inverse dynamics procedure is developed for the analysis of the dynamic motion of interconnected rigid and flexible bodies. This method is used to examine the effect of the elastic deformation on the driving forces in flexible mechanical systems. The driving forces are expressed in terms of the specified motion trajectories and the deformations of the elastic members. The system equations of motion are formulated using Lagrange's equation. A finite element discretization of the flexible bodies is used to define the deformation degrees of freedom. The algebraic constraint equations that describe the motion trajectories and joint constraints between adjacent bodies are adjoined to the system differential equations of motion using the vector of Lagrange multipliers. A unique displacement field is then identified by imposing an appropriate set of reference conditions. The effect of the nonlinear centrifugal and Coriolis forces that depend on the body displacements and velocities are taken into consideration. A direct numerical integration method coupled with a Newton-Raphson algorithm is used to solve the resulting nonlinear differential and algebraic equations of motion. The formulation obtained for the flexible mechanical system is compared with the rigid body dynamic formulation. The effect of the sampling time, number of vibration modes, the viscous damping, and the selection of the constrained modes are examined. The results presented in this numerical study demonstrate that the use of the driving forees obtained using the rigid body analysis can lead to a significant error when these forces are used as the feedforward control law for the flexible mechanical system. The analysis presented in this investigation differs significantly from previously published work in many ways. It includes the effect of the structural flexibility on the centrifugal and Coriolis forces, it accounts for all inertia nonlinearities resulting from the coupling between the rigid body and elastic displacements, it uses a precise definition of the equipollent systems of forces in flexible body dynamics, it demonstrates the use of general purpose multibody computer codes in the feedforward control of flexible mechanical systems, and it demonstrates numerically the effect of the selected set of constrained modes on the feedforward control law.     

平动柔性矩形薄板的动力学特性与屈曲分析

应用Hamilton变分原理建立了平动状态下对边简支对边自由矩形薄板的非线性动力学方程,分别应用假设模态法和康特洛维奇法分析了板的前4阶近似振动频率、临界分岔值及板的前3阶后屈曲近似解,并比较了取不同阶数假设模态对分析结果的影响．分析表明整体平动可使柔性多体系统中的柔性构件产生动力刚化和动力软化效应,且软化效应还可使系统平衡位置发生分岔而失稳;在动力刚化和动力软化情况下,柔性构件模态出现的顺序均可能发生改变,此性质在柔性多体系统动力学简化建模特别是模态截断时应引起足够的重视．