空间折叠薄膜管的充气展开动力学实验研究

空间折叠薄膜管是空间充气展开结构的基本支撑部件, Z形折叠是充气展开管的基本折叠方式之一. 针对空间微重力环境, 建立了折叠薄膜管的充气展开实验系统, 采用气浮导轨, 解决了地面重力对充气展开过程的影响; 采用非接触式的光电测量方式, 有效地避免了接触式传感器对充气展开过程的干扰. 针对V形折叠薄膜管, 研究了不同的充气流量、薄膜管尺寸效应以及展开端有无有效载荷对充气展开动力学特性的影响; 通过实验研究, 选择充气流量、管子直径和载荷质量为主定参量, 对充气展开过程进行量纲分析和实验误差分析, 结果表明, 折叠薄膜管的充气展开最大速度与充气的体积流量成正比, 与管直径的立方成反比.      

空间薄膜结构动态测试研究最新进展

空间薄膜结构是一种主要由薄膜材料制成的新型大型轻量化结构,在深空探测中可用于构建大型天线、太阳帆、太阳能集中器等新概念飞行器。它具有超低频率、密集模态、局部模态、几何大变形、高柔性、低密度、强非线性、以及承载能力随充气压力改变等一系列特点,传统的实验模态分析方法已经不满足此类结构的测试要求。同时在地面测试时容易受空气附加质量、地球重力及温度、湿度环境影响,这给动态测试带来很大困难。本文首先总结了适合薄膜空间结构的动态测试技术如新型智能传感器,激光测量和数字图像测量等非接触测试方法最新进展,并比较分析各测试方法优缺点。此外对微重力、真空、交变温度等空间环境对动态测试结果的影响进行总结,存在缺陷对动态测试结果的影响进行评述,最后针对目前空间薄膜结构动态测试中存在的问题进行探讨并指出未来发展方向。     

空间充气管展开动力学研究进展

最近空间充气展开结构引起了人们的广泛关注, 这是因为空间充气展开结构具有折叠体积小, 重量轻和展开可靠性高等优点, 于是一些空间计划也开始考虑利用充气展开结构的优势.然而, 在空间充气展开结构应用到太空之前还有一些重要的问题需解决, 其中之一就是控制和掌握充气展开结构的充气展开动力学特性.充气管用于驱动展开并支撑空间结构是一种重要的构件. 围绕充气管在展开过程中的动力学问题, 详细地综述了近20年来国际上的研究进展情况. 首先讨论了有关的充气展开模型, 包括非线性铰链模型、卷曲折叠管展开模型、控制体积模型、能量法模型和流-固耦合模型等.然后介绍了有限元模拟研究进展, 并分别评述了$Z$形、卷曲、多边形以及变直径伸缩等折叠管的充气展开实验研究. 文章最后指出了充气管的充气展开的理论、有限元模拟以及实验在今后值得关注的研究方向.     

基于CV法的空间薄膜充气管的展开速度分析

为了有效控制充气薄膜结构模拟过程中的展开速度,本文首先从CV法(控制体积法)的基本理论入手,通过改变材料和结构的相关参数,对模型的设置进行了改进,以研究影响充气结构展开速度的因素;其次将两种不同充气速率对充气管展开速度影响的模拟结果与实验结果进行了对比,发现数值结果与实验结果趋势基本相同,从而验证了CV法的可行性;最后研究了材料参数、充气温度、排气面积等参数对充气管展开速度的影响。研究发现:充气速率越大,充气管的展开速度越大;材料的弹性模量影响较小;质量密度越大、温度越低、排气孔的面积越大,则充气管的展开速度越低。因此,从充气结构的材料本身和结构模型考虑,选用高密度材料、采用较低的充气温度、加大气囊的排气面积均能有效降低充气结构的展开速度,从而为充气结构的设计和应用提供参考。     

卷曲折叠充气管展开实验研究

运用气垫导轨模拟微重力条件,通过实验研究了卷曲折叠充气管在不同充气速率条件下的展开动力性能,以及不同的充气方式、不同的卷曲形式等对充气管展开性能的影响,研究表明,随着充气速率、充气方式和卷曲形式的变化,充气管端部的动力性能、管内“充气铰”的大小和展开的半径以及＂增压滞后＂现象等都发生相应的改变;且充气速率越大,充气管展开端的速度就越大。最后,本文还对不同材料的充气管的展开性能进行了研究,发现充气管内壁用钢卷尺加强,成为充气硬化（STR）管后,不仅能提高充气管的屈曲承载力,还能改善充气管的展开性能。     

纳米材料力学行为的原子尺度模拟研究

对几何尺寸极小的纳米材料而言, 数值模拟是与实验测试同样有效的研究手段, 而且, 当材料特征尺寸更小、缺乏可用的测试系统时, 数值模拟可能是唯一的方法. 介绍了近年来纳米材料力学行为的原子尺度数值模拟研究方面的若干新进展, 重点综述了采用分子动力学模拟与第一原理计算对纳米材料的晶格不稳定性、理想强度、界面断裂、碳纳米管的力电特性和铁电纳米材料的力电特性等问题的研究结果. 总结介绍了纳米材料原子尺度模拟中一些实用的计算策略和方法, 并提出了若干需要进一步研究的问题.     

空间薄膜结构的褶皱形变预测

空间充气结构技术是一项全新的空间结构构建技术,基于该技术的空间充气结构是未来空间任务的主要需求对象．该结构主要由薄膜构成,因此结构形面精度的保持是关键问题．褶皱是薄膜特有的现象,它的存在会严重影响结构形面精度,因此进行褶皱研究很有必要．根据屈曲理论联合薄膜褶皱的实际构型建立了薄膜结构褶皱的预测模型,分析了矩形平面薄膜受面内水平剪切情况下的褶皱,得到了褶皱幅度和褶皱波长以及薄膜结构产生褶皱时的临界压缩应力,通过与已有文献结果及本文实验结果的比较验证了该分析方法的有效性和结果的正确性．     

纳米材料力学行为的原子尺度模拟研究

对几何尺寸极小的纳米材料而言,数值模拟是与实验测试同样有效的研究手段, 而且,当材料特征尺寸更小、缺乏可用的测试系统时,数值模拟可能是唯一的方法.介绍了近年来纳米材料力学行为的原子尺度数值模拟研究方面的若干新进展,重点综述了采用分子动力学模拟与第一原理计算对纳米材料的晶格不稳定性、理想强度、界面断裂、碳纳米管的力电特性和铁电纳米材料的力电特性等问题的研究结果.总结介绍了纳米材料原子尺度模拟中一些实用的计算策略和方法,并提出了若干需要进一步研究的问题.      

基于摄影测量法的薄膜褶皱实验研究

采用非接触式的测试方式摄影测量法对薄膜褶皱进行了实验研究.建立了剪切薄膜褶皱的分析模型,并基于摄影测量法对该模型的褶皱变形模式进行了实验研究.摄影测量法是通过对不同角度上相机拍摄到的同一靶点的图像信息进行处理,可以得到相应靶点的三维坐标,从而实现对微小变形的非接触式的测量.通过摄影测量法得到了剪切薄膜褶皱的变形模式.实验研究表明,在剪切距离增大的情况下薄膜褶皱的数量保持不变,但是褶皱面外变形幅度随着剪切距离的增加而增大.试验结果与数值分析结果具有相关性,摄影测量法适合于薄膜结构微小面外变形的非接触式测量.     

空间薄膜结构的褶皱研究进展

大型柔性薄膜结构是目前国际上十分关注的可满足多项空间任务需要的新型空间结构. 由于薄膜材料柔性且抵抗压缩应力作用的能力十分有限, 因此这些空间结构在轨时多处于带有褶皱的工作状态. 褶皱的存在会改变结构的力学性能且会影响结构表面形状, 因此开展薄膜褶皱研究对柔性结构的设计和力学性能评价等具有重要意义. 本文综述了空间薄膜结构褶皱研究的发展和现状, 重点介绍了薄膜褶皱的理论研究概况, 并讨论了其中存在的问题.根据褶皱研究的最新进展对其未来的发展趋势进行了展望.      

条带式太阳帆的结构动力学分析

依靠光压推进,太阳帆被认为是最可行的星际探测航天器,太阳帆结构总体方案主要有两类:桅杆式和旋转式,其中,帆膜被分割成窄条的条带式太阳帆在桅杆式太阳帆中具有较为理想的结构效率,如何准确计算条带式太阳帆的结构动力学特性值得研究.本文对条带式太阳帆结构的振动特性和结构稳定性进行研究,将太阳帆看作是由若干个桅杆-膜带组件依次连接而成的整体结构,桅杆-膜带组件由4根桅杆段和4条薄膜条带组成,分段轴压作用下的桅杆与薄膜条带耦合振动.考虑帆面薄膜条带与支撑桅杆之间的耦合振动,采用分布传递函数法建立了的条带式太阳帆的结构动力学模型,推导了条带式太阳帆结构自由振动和失稳载荷的求解方法.研究表明:条带式太阳帆构型有利于提高太阳帆结构的整体刚度和结构稳定性,随着帆面薄膜条带数目的增加,太阳帆结构的振动频率和失稳载荷增大;随着帆面薄膜预应力的增大,太阳帆结构振动的基频减小,稳定性变差;随着支撑桅杆刚度的提高,太阳帆结构整体的振动频率和失稳载荷增大.本文建立的解析求解方法具有求解效率快和精度高的特点,为条带式太阳帆的结构设计和姿态控制提供了有力的分析工具.      

Dynamic analysis of a rigid-flexible inflatable space structure coupled with control moment gyroscopes

The vibration generated by the inflatable structure after deployment has a great impact on the performance of the payloads. In this paper, the influence of the control moment gyroscopes (CMGs) on the dynamic responses and characteristics of an inflatable space structure is studied, based on the flexible multibody dynamics in a combination of the absolute nodal coordinate formulation (ANCF) and the natural coordinate formulation (NCF). Firstly, the ANCF and NCF are used to accurately describe the large deformations and large overall motions of flexible inflatable tubes and rigid satellites, respectively. Then, instead of modeling gyroscopic flexible bodies, this paper pioneers a rigid body dynamic model of the CMG in detail by using the NCF modeling scheme, which can be attached to and coupled with any flexible bodies without any assumptions. Then, the orbital dynamic equations of the inflatable space structure coupled with distributed CMGs are obtained by considering the effects of Coriolis force, centrifugal force, and gravity gradient through coordinate transformation. The dynamic characteristics of the inflatable space structure are also analyzed by deriving the eigenvalue problem of a flexible multibody system. Finally, the accuracy of the CMG dynamic model is verified via a classic heavy top example. Several numerical examples are presented to study the influence of the magnitudes and directions of the rotor angular momentum of the CMGs on the dynamic responses and characteristics of the inflatable space structure.

     

INTERACTION MODEL OF THE ENCLOSED AIR AND THE OUTER MEMBRANE

将充气膜结构内充气体假定为势流,推导得到速度势表示的内充气体小幅波动方程,并采用Galerkin法离散得到内充气体的有限元动力学方程。引入界面协调条件,建立了内充气体结点速度势与外部膜材结点位移的关系,然后联立薄膜动力方程和气体动力学方程得到充气膜系统内充气体与外部膜材的共同作用理论模型。在该理论模型基础上,建立了两类典型充气结构的数值模型进行分析,通过将数值结果与试验结果对比,验证了共同作用理论模型的准确性和合理性。     

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).      

超大型航天结构动力学与控制的保辛方法

超大型航天器是空间资源探索和利用的重要空间基础设施,也是实现航天强国目标的重大战略性航天装备。由于这类结构的质量和尺寸巨大,将带来在轨运行中的姿-轨-结构耦合和在轨姿态控制问题。同时,结构的超大尺度、构型变化与空间环境相互作用将产生极复杂的结构振动和大型结构特有的波动现象。这些为其动力学建模与数值求解、在轨精确姿态控制、低频结构振动抑制和振动波动耦合的特性调控等提出了新的挑战。本文介绍了本团队近十年基于保辛方法针对上述问题取得的研究进展,包括超大型航天结构在轨耦合动力学与姿态控制、超大型航天结构波动力学行为与控制、可展开结构设计以及变刚度主动控制方法等。     

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.      

张拉整体结构的动力学等效建模与实验验证

为了实现张拉整体结构高效动力学计算, 并考虑其大范围运动中柔性杆局部动态屈曲, 提出了一种受压细长杆动力学降阶模型, 采用五节点弹/扭簧集中质量离散模型等效连续杆的静力学和动力学特性. 首先, 通过静力学等效分析推导了弹簧拉压刚度和扭簧弯曲刚度表达式, 可准确预测杆件受压屈曲和近似预测其后屈曲行为. 第二, 通过动能等效分析推导了集中质量表达式, 可准确预测杆在线速度场下的运动. 第三, 通过弯曲振动固有模态等效分析确定弯曲刚度和节点质量的分布参数, 合适的分布参数取值组合可将降阶模型前两阶固有频率相对误差均降低至1%以内. 第四, 在全局坐标系下建立张拉整体结构瞬态动力学方程, 并利用静力凝聚法实现方程高效迭代求解. 最后, 分别对球形张拉整体结构准静态压缩、模态分析和碰撞动力学进行仿真和实验对比分析, 证明了提出的动力学降阶模型可有效预测张拉整体结构的静力学行为、固有振动特性及瞬态动力学响应, 并分析了结构参数变化对其力学特性的影响规律. 本文提出的动力学等效建模与计算方法, 可望用于软着陆行星探测器、大型可展开空间结构及点阵材料等复杂张拉整体系统的动力学分析与控制.