整星隔振器的无源控制设计

在卫星的寿命周期内,发射过程中的振动环境最为恶劣.为了改善卫星发射过程中的力学环境,提高卫星发射的可靠性和降低卫星成本,整星隔振技术得到了各国的高度重视.整星主被动一体化隔振技术可以有效隔离火箭传递到卫星的振动,改善卫星在发射中的力学环境并提高发射可靠性.系统无源性与耗散性和稳定性之间有着紧密的联系,无源性控制的     

气动八作动器隔振平台的主动隔振研究

多自由度隔振平台可以有效地隔离运载器传递到卫星的振动载荷。本文采用气动八作动器隔振平台实现卫星的六自由度隔振。首先应用牛顿欧拉法建立了气动八作动器隔振平台的动力学模型,设计了平台的主动控制律,然后对平台的主、被动隔振特性进行了仿真分析。仿真分析和实验结果显示主动隔振使平台各方向的低频隔振性能均得到改善。     

并联式承载减振一体的整星隔振研究

整星隔振是一种改善卫星振动环境的有效措施,传统整星隔振方案主要通过在卫星与火箭之间插入柔性、高阻尼结构.该方案因串联柔性元件,在实现减振的同时,也导致卫星分支(卫星、卫星支架、过渡支架)及整个运载火箭的模态频率大幅降低和卫星振动位移的显著增大.前者严重影响运载火箭飞行特别是末级飞行的稳定性;后者则会大幅减小卫星与整流罩的动态间隙,严重时可能导致卫星与整流罩碰撞.为了解决串联式整星隔振存在的问题,本文提出了一种在原主承力(过渡支架)结构中并联阻尼元件的整星隔振方案,该方案不改变卫星分支结构形式、连接关系,不影响卫星分支主承力结构的强度和刚度.根据柔性航天器的特点,建立了多自由度系统动力学模型,通过仿真分析研究了不同阻尼特性对系统共振频率附近传递特性的影响,得到了增大阻尼可有效改善系统各阶共振频率附近的振动传递特性.根据某运载火箭的外激励特点、过渡支架结构形式、卫星减振需求,设计的一种黏性阻尼器及其安装支架,通过在过渡支架均匀分布8个减振单元,构建了并联式承载减振一体的整星隔振方案,有限元分析和试验结果表明,该方案与无减振状态相比,卫星分支频率变化小于±5％,共振频率处传递特性改善30％~40％.      

并联式承载减振一体的整星隔振研究

整星隔振是一种改善卫星振动环境的有效措施,传统整星隔振方案主要通过在卫星与火箭之间插入柔性、高阻尼结构.该方案因串联柔性元件,在实现减振的同时,也导致卫星分支(卫星、卫星支架、过渡支架)及整个运载火箭的模态频率大幅降低和卫星振动位移的显著增大.前者严重影响运载火箭飞行特别是末级飞行的稳定性;后者则会大幅减小卫星与整流罩的动态间隙,严重时可能导致卫星与整流罩碰撞.为了解决串联式整星隔振存在的问题,本文提出了一种在原主承力(过渡支架)结构中并联阻尼元件的整星隔振方案,该方案不改变卫星分支结构形式、连接关系,不影响卫星分支主承力结构的强度和刚度.根据柔性航天器的特点,建立了多自由度系统动力学模型,通过仿真分析研究了不同阻尼特性对系统共振频率附近传递特性的影响,得到了增大阻尼可有效改善系统各阶共振频率附近的振动传递特性.根据某运载火箭的外激励特点、过渡支架结构形式、卫星减振需求,设计的一种黏性阻尼器及其安装支架,通过在过渡支架均匀分布8个减振单元,构建了并联式承载减振一体的整星隔振方案,有限元分析和试验结果表明,该方案与无减振状态相比,卫星分支频率变化小于±5%,共振频率处传递特性改善30%～40%.     

航空遥感惯性稳定平台振动特性分析与隔振系统设计

针对航空遥感三轴惯性稳定平台隔离高频线振动的要求,在振动环境分析的基础上,以振动传递率为评价指标,对周期性干扰下惯性稳定平台的一次和二次隔振系统动力学模型进行了Matlab仿真及振动特性分析,进而对某轻小型惯性稳定平台的隔振系统进行了设计,最后为验证隔振系统效果,对惯性稳定平台进行了振动测试实验。实验结果表明:惯性稳定平台在受到30~500 Hz的外界干扰时能够平稳工作,且指向精度保持在0.2°以内,表明隔振系统设计合理有效。     

磁流变整星隔振平台频域加权LQR控制研究

设计磁流变六杆隔振平台,以改善星箭界面低频振动环境.采用牛顿-欧拉法建立整星隔振平台动力学模型,利用固定界面模态综合法得到卫星和隔振平台动力学模型.由于星箭界面低频振动环境在特定频段存在振动量级较大的问题,采用频域加权LQR(linear quadratic regulator)方法,利用直接分解法扩展系统状态变量,进行磁流变阻尼器半主动控制系统设计.仿真结果表明,相对传统控制方法,频域加权LQR方法在特定频段减振效果明显改善,且在其他频段没有恶化,验证了算法有效性.     

FREQUENCY-SHAPING LQR CONTROL OF WHOLE-SPACECRAFT VIBRATION ISOLATION PLATFORM BASED ON MR DAMPER1)

设计磁流变六杆隔振平台,以改善星箭界面低频振动环境.采用牛顿-欧拉法建立整星隔振平台动力学模型,利用固定界面模态综合法得到卫星和隔振平台动力学模型.由于星箭界面低频振动环境在特定频段存在振动量级较大的问题,采用频域加权LQR (linear quadratic regulator)方法,利用直接分解法扩展系统状态变量,进行磁流变阻尼器半主动控制系统设计.仿真结果表明,相对传统控制方法,频域加权LQR方法在特定频段减振效果明显改善,且在其他频段没有恶化,验证了算法有效性.     

基于混杂双稳定层合板的准零刚度隔振装置

准零刚度隔振装置(quasi-zero stiffness,QZS)在其平衡位置处的刚度接近于零,能够有效地隔离加速度幅值较低的微振动.因此,准零刚度隔振装置在卫星等航天器结构的微振动抑制领域有较好的应用前景.准零刚度隔振装置通常由正刚度部件及负刚度部件并联而成.在众多准零刚度隔振装置概念中,负刚度部件通常需要多个弹性部件及特定约束边界形成负刚度特性,导致准零刚度隔振装置的整体质量及体积相对较大.然而,航天器结构对隔振装置的质量特性及安装空间提出较高要求,因此需开发新型准零刚度隔振装置,降低隔振装置的质量及体积以满足航天器结构的使用要求.本文提出了一种基于混杂双稳定复合材料层合板的准零刚度隔振装置.通过利用混杂双稳定复合材料层合板自身的负刚度特性,降低了准零刚度隔振装置的结构复杂程度.本文对提出的准零刚度隔振装置的力学原理进行说明,对其隔振效果进行了仿真分析,并进行了隔振效果验证试验.隔振试验表明,准零刚度隔振装置的振动传递率曲线不再具有峰值,其实际振动传递率低于具有相同正刚度的线性隔振系统.基于试验及仿真分析结果,本文对隔振装置隔振性能的影响因素进行了分析讨论.分析结果显示,隔震装置中线性弹簧刚度与双稳定层合板负刚度之间的差异以及微小装配误差将导致隔振装置的隔振效果出现降低.      

一类新型多方向准零刚度隔振平台

本文提出了一种新的多自由度非线性隔振平台．利用一组预压的三角机构和曲面边界同时实现了竖直-旋转多自由度上的负刚度特性,结合正刚度原件,实现竖直-旋转多自由度准零刚度特性．首先,文章基于平面问题建立竖直-旋转两自由度隔振平台的力学模型,确定结构参数与非线性刚度之间的关系．可以看到,通过设计预压弹性元件的结构参数可以同时实现两自由度的准零刚度特性．然后,利用谐波平衡法建立振动响应与频率之间的关系,确定有效的振动带隙的宽度,由此确定结构参数的最优取值．本文提出的隔振平台可以用于大型装备的隔振,也适用于微振动的工况,还可以作为教学的演示实验．     

非线性被动隔振的若干进展

工程中航空航天、船舶与海洋结构物及其上装备和精密仪器易受极端环境干扰和破坏,使得非线性隔振理论在近十年来迅猛发展;针对日益严峻的隔振和抗冲击等要求,工程师和科学家们已发展出各种不同的非线性隔振系统,包括主动、半主动、被动和复合隔振.利用非线性改善的被动隔振兼具传统被动隔振的鲁棒性和主动隔振的高效性成为振动控制领域的先进技术.本文主要综述了非线性隔振理论和应用的近十年进展,包括非线性隔振设计、建模、分析、仿真和实验.在隔振系统的构建中,既考虑了刚度非线性又考虑了阻尼非线性;动力学响应的研究中,既有确定性分析又有随机分析.首先提出了适用于非线性隔振系统改进的评价方式;其次综述了高静态低动态刚度隔振及其加强形式非线性阻尼加强和双层非线性隔振,混沌反控制技术、内共振影响、非线性能量阱应用等振动机制利用型隔振和非线性隔振功能材料.最后,对非线性隔振研究发展的热点和关键性问题进行了分析和展望.     

附加约束阻尼层对星箭系统动特性的影响分析

在星箭连接支架外表面附加约束阻尼层可抑制星箭对接界面的振动,从而降低卫星在发射过程中所承受的振动和噪声载荷.本文将有限元技术与矩阵特征值摄动分析方法相结合,就卫星支架局部修改(附加约束阻尼层)对星箭系统动态特性的影响进行了分析.以已有星箭系统结构的模态信息为基础,给出了支架部位附加约束阻尼层后星箭系统动态特性变化的定量计算方法,并证明了该减振技术能够不明显的改变原星箭系统的固有特性.     

大型柔性航天器动力学与振动控制研究进展

随着航天重大工程的逐步实施,航天器正朝着超高速、超大尺度、多功能的方向发展,其面临的发射和运行环境也更加恶劣.航天器发射过程中的振动及其主/被动控制、在轨运行中大型柔性航天器动力学建模与动态响应分析、结构振动与飞行器姿态的混合控制等问题越来越复杂且难于处理;航天器结构的大型化和柔性化(如大阵面天线和太阳翼等)也对其地面试验和半实物仿真提出了挑战.本文着重介绍大型柔性航天器涉及到的动力学与振动控制问题,包括航天器发射过程中的整星隔振,大型柔性结构动力学建模与振动响应分析,大型柔性航天器的结构振动与姿轨控耦合动力学及其混合控制等.提炼出航天动力学与控制领域中亟待解决的若干基础科学问题,包括:多刚柔体系统动力学建模与模型降阶(涉及大变形柔性体动力学建模、多求解器合作仿真、模型降阶、组合结构动力学建模的解析方法等);复杂结构状态空间模型构建方法与能控性(涉及状态空间模型构建的理论与实验方法、复杂结构振动控制系统的能观性与能控性等);航天器姿态运动与大型柔性结构振动的混合控制律设计(涉及姿态机动与结构振动的鲁棒混合控制、执行机构与压电控制器的协同控制等).      

Dynamics of a spacecraft with large flexible appendage constrained by multi-strut passive damper

This paper is concerned with the dynamics of a spacecraft with multi-strut passive damper for large flexible appendage.The damper platform is connected to the spacecraft by a spheric hinge,multiple damping struts and a rigid strut.The damping struts provide damping forces while the rigid strut produces a motion constraint of the multibody system.The exact nonlinear dynamical equations in reducedorder form are firstly derived by using Kane’s equation in matrix form.Based on the assumptions of small velocity and small displacement,the nonlinear equations are reduced to a set of linear second-order differential equations in terms of independent generalized displacements with constant stiffness matrix and damping matrix related to the damping strut parameters.Numerical simulation results demonstrate the damping effectiveness of the damper for both the motion of the spacecraft and the vibration of the flexible appendage,and verify the accuracy of the linear equations against the exact nonlinear ones.     

惯容器对隔振系统动态性能影响研究

本文设计了一种滚珠丝杠惯容器及ISD隔振系统,通过实验研究了惯性轮的转动惯量对惯容值的影响;同时,分析了滚珠丝杠惯容器的机械动力学特性,推导了ISD隔振系统的振动传递率计算公式,探讨了惯容器对ISD隔振系统动态特性的影响。在电机被动、主动和混合隔振工况下,开展了弹簧阻尼系统和ISD隔振系统的振动性能对比实验,验证了惯容器对振动系统固有频率和减振效果的影响规律。研究结果表明,惯容器可降低振动系统的固有频率,使共振频率向低频移动,共振振幅降低;在共振频率附近,惯容器可抑制共振振幅,惯容值越高,抑制效果越明显;ISD隔振系统在低频的减振效果优于传统的弹簧阻尼系统;随着频率比的增加,ISD隔振系统的传递率趋于稳定值,惯容器会引起高频隔振性能降低。     

Influence of flexible solar arrays on vibration isolation platform of control moment gyroscopes

A high-performance vibration isolation platform (VIP) has been developed for a cluster of control moment gyroscopes (CMGs). CMGs have long been used for satellite attitude control. In this paper, the influence of flexible solar arrays on a passive multi-strut VIP of CMGs for a satellite is analyzed. The reasonable parameters design of flexible solar arrays is discussed. Firstly, the dynamic model of the integrated satellite with flexible solar arrays, the VIP and CMGs is conducted by Newton-Euler method. Then based on reasonable assumptions, the transmissibility matrix of the VIP is derived. Secondly, the influences of the flexible solar arrays on both the performance of the VIP and the stability of closed-loop control systems are analyzed in detail. The parameter design limitation of these solar arrays is discussed. At last, by selecting reasonable parameters for both the VIP and flexible solar arrays, the attitude stabilization performance with vibration isolation system is predicted via simulation.     

NEURAL NETWORK MODEL OF MAGNETORHEOLOGICAL DAMPER FOR VIBRATION ISOLATION PLATFORM OF WHOLE-SPACECRAFT

为改善星箭界面振动环境,设计六杆隔振平台,采用磁流变阻尼器作为半主动控制元件,替代原有锥壳过渡支架.对整星隔振平台用磁流变阻尼器进行性能测试,得到反映磁流变阻尼器阻尼特性的实验数据.建立具有两个隐含层的反向传播神经网络对阻尼器进行建模,用于预测磁流变阻尼器阻尼特性以及控制系统设计.提出一种串行算法优化网络结构、权值和阈值,保证网络具有较好的泛化能力和稳定性.仿真结果表明,与参数化模型相比,提出的神经网络模型具有较小的训练误差和较强的泛化能力,能够很好地预测阻尼器的阻尼特性.     

Transition sets analysis based parametrical design of nonlinear metal rubber isolator

This research proposes the parametrical design of Metal Rubber (MR) isolation platform based on the investigation of nonlinear vibration properties under different types of excitation. Based on the mechanical model established by experiments, the restoring force of the isolation platform is proposed as a nonlinear function in consideration of the stiffness nonlinearity and Coulomb friction of metal wires. Then, the perturbation method is utilized to solve the steady states whose local stability is studied by singularity theory. The main results obtained by singularity theory show that there are five different types of vibration property, and the critical conditions for the transformation of different vibration properties are defined by transition sets. For impact excitation, the optimum structural parameters are obtained based on the vibration dissipation time via nonlinear backbone analysis; for periodic excitation, the optimum structural parameters are determined according to multiple standards including the bandwidth for effective isolation, bandwidth for multi-steady states, resonance peak and displacement transmissibility in high frequency band etc. The vibration performances for optimum structural parameters are verified by dynamical experiments. In conclusion, this paper carries out a novel sight of choosing optimum parameters, and therefore provides the guidance for the utilization of MR isolation platform for different types of excitation in engineering practices.