在轨组装空间结构面向主动控制的动力学建模

在轨组装是未来超大型空间结构最有发展潜力的构建方式之一,组装过程中空间结构尺寸逐渐增长、动力学特性也随之改变,给结构主动控制任务带来了新的挑战.针对这一问题,提出一种在轨组装空间结构面向主动控制的动力学建模方法.首先,建立不同类别组装模块的基础模型库,以用于后续直接调用;然后,定义模块的邻接关系矩阵以描述在轨组装过程中空间结构的变化,并根据在轨组装任务特点,设计了面向分布式控制的智能组件结构形式;在有限元建模方法的基础上提出"节点自由度加载"方法,利用模块的基础模型库与邻接关系矩阵,分别建立智能组件和空间结构整体的动力学模型,该模型可随组装的进行同步自适应更新;最后,以在轨组装桁架结构为例,给出组装碰撞冲击下动力学建模与分布式主动控制数值仿真.结果表明,在轨组装过程中桁架结构整体的动力学特性有明显的变化,主动控制非常必要;基于提出的建模方法,可高效地建立构型多样的在轨组装空间结构动力学模型;智能组件的动力学模型在组装过程中可进一步根据邻接关系矩阵限定更新范围,适用于在轨组装过程中的分布式主动控制系统设计.     

机器人在轨组装结构的耦合动力学与步态优化

机器人在轨移动组装空间结构是建造大型航天器最有潜力的方式之一,但机器人在结构表面作业时两者存在严重的动力学耦合效应,给空间结构的建造带来了新挑战.针对三分支机器人行走在空间柔性结构上形成的耦合动力学问题,提出一种机器人-结构耦合动力学建模与步态优化方法.首先,基于拉格朗日方程和欧拉-伯努利梁模型建立机器人-结构耦合动力学模型,该模型可用于预测机器人在结构表面行走时的耦合动力学响应.然后,基于耦合动力学方程推导出机器人运动与结构振动的关系,以降低结构振动响应为目标开展了机器人行走步态的优化研究.最后,对机器人不同蠕动步态运动方式下的空间结构动力学响应进行了数值仿真,重点分析了机器人以不同步频、不同步长以及不同抬起高度行走移动时对空间结构动力学响应的影响规律.仿真结果表明,空间结构的动力学响应与机器人的运动方式密切相关.因此在设计行走移动组装机器人的运动步态步频时应避免为空间结构固有频率的两倍,同时在保障机器人组装安全稳定的前提下应尽可能减小运动步长和抬起高度.并且通过对机器人运动步态进行优化调整可以有效抑制空间结构的振动.     

大型空间结构的动力学建模与控制

综述了近年来关于大型空间结构的动力学建模和控制的研究成果.介绍与评论了化简分布参数系统的3种方法,最后提出了如何有效地控制大型空间结构的一些看法.      

大型网架式可展开空间结构的非线性动力学与控制

我国航天工业迫切需要掌握可入轨后展开的大型网架式空间结构技术,以便研制口径十几米、乃至数十米的大型星载天线。该技术的主要科学基础是这类空间结构展开和服役过程的非线性动力学建模、分析和控制。本文综述了与上述科学基础相关的研究进展,提出应重点关注的三个科学问题：一是大型网架式空间结构展开过程的多柔体系统动力学,尤其是如何对微重力环境下索网的接触和缠绕、运动副内碰撞、结构展开与航天器本体间的耦合等导致的非线性动力学进行建模和分析;二是大型网架式空间结构展开锁定后服役的动力学分析,尤其是如何揭示结构柔性、众多运动副间隙、交变热载荷等因素引起的复杂非线性振动机理;三是大型网架式空间结构展开锁定后服役的动力学控制,尤其是如何在欠驱动、低能耗条件下对非线性振动和波动传播提出有效的控制方法。     

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。     

大型空间结构的热-动力学耦合问题及其有限元分析

论文对辐射换热条件下闭口薄壁杆件与单枝开口薄壁杆件的瞬态温度场问题,提出了一种一维傅立叶温度有限元,克服了传统一维温度单元只能计算薄壁杆截面平均温度的缺点,通过增加结点摄动温度自由度的方法,该一维单元能计算杆截面的温度分布.在此一维温度单元与梁位移单元相协调的基础上,进一步发展了大型空间结构热诱发振动稳定性判据与热颤振响应有限元计算方法.对于柔性空间结构发展了考虑几何非线性的热-结构动力学耦合有限元计算方法,成功地对这类结构的热动力屈曲问题进行了数值模拟.     

点式压电智能结构的模型修正与振动主动控制

提出了在点式压电智能结构中应用摄动有限元方法对结构的有限元模型进行修正 ,从而达到提高建模精度 ,改善实际结构振动主动控制效果的目的。通过对一悬臂梁在模型修正前后进行振动主动控制的不同的控制效果验证了该方法的有效性     

风力机叶片压电振动的主动控制研究

提出了将智能材料粘贴在叶片表面或嵌入叶片内部形成新结构的概念。本文将智能材料作为传感器和作动器,通过机电耦合抑制叶片的振动;利用有限元软件 Algor 分析在气动力作用下叶片的应力、应变;基于压电陶瓷第一压电方程,将风电叶片简化成柔性悬臂梁,建立了压电智能悬臂梁状态空间的动力学模型;针对此系统利用最优控制理论进行主动振动控制,设计了在系统低阶模态空间的振动控制器。最后通过计算机仿真得出：系统振动幅度缩小了约20%,振动时间减少了约80%,从而说明了此主动振动控制方法的有效性和可行性,对防止叶片这一弹性体发生颤振也起到一定的作用。     

基于ED-LSTM的智能汽车神经网络横向动力学建模与控制

车辆动力学建模过程中通常会进行简化和假设, 导致模型在某些工况下无法准确反映车辆的实际动态特性, 影响控制精度甚至安全性. 鉴于此, 该文提出了一种基于数据驱动的非线性建模与控制方法, 建立了新型神经网络车辆横向动力学多步预测模型, 实现了智能汽车对参考轨迹的跟踪控制. 首先, 在分析车辆单轨模型并考虑轮胎非线性和纵向负载转移的基础上, 基于编码器?解码器结构设计神经网络横向动力学模型. 其中, 使用串行排列来扩展微分方程描述不完全的动力学信息, 隐藏层神经元学习车辆的高度非线性和强耦合特性, 进而提高模型全局计算精度. 利用所构建的数据集进行模型训练和测试, 结果表明, 相比于物理模型, 所提出的模型在不同路面附着系数条件下均具有更高的建模精度, 具有隐式预测路面摩擦条件能力. 其次, 利用提出的模型设计轨迹跟踪控制算法, 根据车辆稳态转向假设, 计算所需的前轮转向角和稳态质心侧偏角, 将稳态质心侧偏角纳入基于路径误差的转向反馈中, 实现参考轨迹跟踪控制. 最后, 使用CarSim/Simulink联合仿真及HIL实验测试进行不同工况试验的对比分析, 对所提出的基于神经网络模型的控制算法进行评价, 结果表明, 该模型能够实现智能汽车在高速下精确的跟踪控制效果, 并具有良好的横向稳定性.      

大型索网天线机电耦合动力学建模与主动变形控制

索网天线因其折叠收纳比高、质量轻以及口径大等优点,成为众多空间任务的首选天线形式,但反射面精度较低限制了大型索网天线的在轨性能指标。在索网天线竖向张力索中加入压电陶瓷堆(PZT)作动器,通过主动控制提高反射面的形面精度。首先,将张紧的索网天线分为含有作动器的主动索单元和不含作动器的被动索单元,通过压电本构方程、几何方程和哈密顿原理推导出主动索单元的动力学模型,并与被动索单元一起组装得到索网天线的机电耦合动力学模型。然后,根据天线反射面的初始形面误差和所建立的天线机电耦合动力学模型,基于模型预测控制(MPC)方法计算出各作动器的控制输入电压曲线。最后,以一个10m口径的索网天线为算例,验证本文所建立的模型和控制方法的有效性。     

空间充气展开结构动态分析研究进展

空间充气展开结构是一种以薄膜材料为主构建而成的新型结构, 可用于构建大型的天线、太阳能集中器、太阳帆等空间结构, 为空间结构的大型化提供了一条有效的解决途径.其动态特性是充气展开结构设计过程中必须考虑的问题, 动态分析测试技术一直是充气展开结构研究过程中的关键问题, 由于充气展开结构在材料、结构形式及工作环境等方面的特殊性, 使得其动态分析和测试技术出现了很多新的问题.目前充气展开结构动态分析的研究方法主要集中在两个方面:实验研究和数值模拟.实验研究主要是针对充气薄膜结构的特点, 由接触式的测试手段向非接触式的测试手段发展, 但实验研究在真空和微重力环境的模拟上面临着很大的问题.数值模拟研究可以有效的模拟结构在真空和微重力环境下的动态行为, 并可分析重力、空气和褶皱等因素对结构振动特性的耦合影响.本文综述了空间充气展开结构动态分析的实验研究和数值研究的发展和现状, 并讨论了其中存在的问题, 在此基础上指出了该项研究的发展趋势.      

结构动力分析自适应有限元方法综述

结构动力分析自适应有限元方法主要研究有限元动力分析的误差估计理论,建立适用于复杂结构动力分析的有限元网格自适应过程．介绍了结构动力问题自适应有限元方法的重要发展,包括固有振动和动响应分析的误差估计及相应的自适应策略;且简要介绍了几种现有的网格生成技术及其特点．最后指出这种方法存在的问题和今后的研究方向．     

局部荷载作用下网架结构的拟夹层板分析法

把正交正放类网架结构简化为构造上正交异性的夹层板，采用考虑剪切变形的具有三个广义位移的平板弯曲理论来分析，给出了网架结构在局部荷载作用下的内力、位移解析计算公式，并用有限元方法进行了验证．     

Riccati方程的分块迭代算法及在智能结构形状控制中的应用

利用三维智能薄壳单元,研究了柔性薄壳智能结构的动态最优形状控制;提出了Riccati方程的分块迭代算法;给出了抛物面形天线的最优形状控制算例.     

A RESIDUAL-BASED UNRESOLVED-SCALE FINITE ELEMENT MODELLING FOR IMPLICT LARGE EDDY SIMULATION 1)

对应于湍流的大尺度与小尺度流场信息, 本文在有限元的框架下, 假设Navier-Stokes方程的解的形函数由大尺度和不可解尺度形函数叠加组成, 引入对应的权函数, 将Navier-Stokes方程的有限元变分形式分解为大尺度和不可解尺度系统. 根据不可解尺度系统, 构建基于Navier-Stokes大尺度方程残差的不可解尺度模型, 将其代入Navier-Stokes方程的大尺度系统, 进而数值求解大尺度系统得到Navier-Stokes方程的大尺度解. 该方法无需像传统的大涡模拟方法那样对方程的解进行过滤, 通过对形函数进行尺度分解实现解的尺度分解. 本文使用该方法的自编程序代码开展了槽道湍流的数值模拟. 通过与有限差分大涡模拟、DNS计算结果的比较, 发现在使用较少网格情况下该方法预测的平均流向速度在近壁区与DNS数据吻合, 在黏性外层略偏高; 该方法对雷诺应力预测偏低导致从流向向垂向方向上湍动能输运略偏低. 流向速度等值面图显示该方法有效捕捉到了大尺度旋涡结构; 同时在近壁区可以观察到明显的低速条带结构.     

薄板动力学相空间非传统Hamilton变分原理与辛算法

将弹性薄板动力分析从Lagrange体系改换为Hamilton体系.通过罗恩提出的一条简单而统一的途径,建立了弹性薄板动力学的相空间非传统Hamilton变分原理,并从该原理推导出相应的Hamilton正则方程、边界条件与初始条件.然后基于这种相空间非传统Hamilton变分原理,提出弹性薄板动力响应分析的辛空间有限元-时间子域法,文中数值结果表明,这种方法的计算精度与效率都明显高于常用的Wilson-θ法和Newmark-β法.     

空间薄膜结构褶皱的数值模拟最新研究进展

褶皱问题是高精度空间薄膜结构最关心的问题之一, 它是影响薄膜结构形面精度的关键因素. 由于薄膜结构褶皱机理的复杂性, 该问题一直没能得到很好的解决, 人们对褶皱的认识, 目前主要是通过试验观察和数值模拟等方法. 本文综述了空间薄膜结构褶皱数值研究的发展和现状, 并对其中重要的和被广泛采纳的方法进行了重点介绍和评述. 最后对褶皱数值分析方法所面临的问题及其发展趋势作了初步展望.      

开式压力机床身有限元分析与结构优选

分析了开式压力机床身的结构特点,然后介绍了应用有限元法对七式压力机床身进行结构分析时的力学模型简化方法,并结合若干工程实例,对开式压力机床身进行身进行了有限元分析与结构优选,取得了既减轻床身重量、又提高强度和刚度的显效果,为结构的合理设计与改进提供了可靠的理论依据。     

基于最大熵方法的水下航行体结构动力响应概率建模

水下航行体结构承受的水动力外载荷具有显著的时空分布不确定性,其引发的结构动力响应,诸如结构最大内力、最大内力发生时刻、最大内力发生位置等也由此产生了不确定性;同时,水下航行体的动力响应还会因其连接或分离结构的拉压刚度不同而出现非线性特征. 为了在水动力外载荷样本有限的基础上,分析水下航行体结构连接非线性对动力响应统计特性的影响, 利用水下航行体结构的简化动力学模型,计算了水动力横向载荷作用下响应的样本统计矩,采用最大熵方法实现了动力响应的概率建模. 在分别求出结构最大内力、最大内力发生时刻、最大内力发生位置的概率密度函数后,通过与蒙特卡洛模拟结果对比验证了最大熵方法拟合的响应概率密度函数精度;而后,基于这些结构响应概率密度曲线讨论了系统连接非线性参数变化对结构动力响应的影响. 最终得出如下结论:连接非线性会导致结构在只有横向力的作用时产生的轴力响应,并且最大轴力概率密度函数峰值会因连接结构非线性程度增大而逐渐增大;连接非线性对不确定性传播有显著影响,当连接非线性比较强时,输入正态分布的载荷所得到的内力响应不是正态分布的;最大内力响应的发生位置也会受到连接非线性程度的影响. 上述结果可以为结构优化提供技术支持.