燃料消耗下充液航天器等效动力学建模与分析

在轨航天器贮腔内的液体可能表现出多种不同的运动模式, 主要包括液体相对于贮腔的整体性刚体运动、自由液面横向晃动、液体起旋后逐步发生明显的旋转晃动及液体自旋运动; 复合三自由度刚体摆晃动模型能够较为全面地描述这些液体运动模式, 同时为研究起旋阶段的液体晃动动力学问题提供了有效手段. 本文对非线性液体晃动刚体摆复合模型作进一步发展, 考虑模型等效参数随贮腔充液比的变化, 提出了变参数的刚体摆复合模型, 该模型适用于研究燃料消耗下非线性晃动类充液航天器大范围运动耦合动力学问题. 采用刚体摆复合模型对球形贮腔内的液体晃动进行等效后, 基于混合坐标意义下的拉格朗日方程推导了一类充液航天器轨道-姿态-晃动全耦合的动力学方程组, 并展开了充液航天器大角度三轴稳定姿态机动和零冲量轨道机动仿真以及航天器耦合动力学响应特性分析. 研究表明: 液体相对于贮腔的运动会造成航天器主刚体位置发生偏移, 当航天器在执行零冲量机动时, 燃料消耗会造成航天器的轨道平动速度无法收敛到零; 贮腔偏心布放时, 航天器在执行轨道机动过程中贮腔内液体易发生剧烈而且形式复杂的晃动行为, 进而可能造成航天器刚体运动的不稳定.      

EQUIVALENT DYNAMICS MODELING AND ANALYSIS OF LIQUID-FILLED SPACECRAFT WITH FUEL CONSUMPTION 1)

在轨航天器贮腔内的液体可能表现出多种不同的运动模式, 主要包括液体相对于贮腔的整体性刚体运动、自由液面横向晃动、液体起旋后逐步发生明显的旋转晃动及液体自旋运动; 复合三自由度刚体摆晃动模型能够较为全面地描述这些液体运动模式, 同时为研究起旋阶段的液体晃动动力学问题提供了有效手段. 本文对非线性液体晃动刚体摆复合模型作进一步发展, 考虑模型等效参数随贮腔充液比的变化, 提出了变参数的刚体摆复合模型, 该模型适用于研究燃料消耗下非线性晃动类充液航天器大范围运动耦合动力学问题. 采用刚体摆复合模型对球形贮腔内的液体晃动进行等效后, 基于混合坐标意义下的拉格朗日方程推导了一类充液航天器轨道-姿态-晃动全耦合的动力学方程组, 并展开了充液航天器大角度三轴稳定姿态机动和零冲量轨道机动仿真以及航天器耦合动力学响应特性分析. 研究表明: 液体相对于贮腔的运动会造成航天器主刚体位置发生偏移, 当航天器在执行零冲量机动时, 燃料消耗会造成航天器的轨道平动速度无法收敛到零; 贮腔偏心布放时, 航天器在执行轨道机动过程中贮腔内液体易发生剧烈而且形式复杂的晃动行为, 进而可能造成航天器刚体运动的不稳定.     

IKAROS太阳帆第一阶段展开过程的动力学行为分析

空间结构的在轨展开涉及到复杂的高维强非线性动力学问题,这些动力学问题的建模及仿真技术是航天动力学领域的难题,也是对在轨展开过程施加控制的前提条件。本研究以IKAROS太阳帆在轨第一阶段展开过程为例,基于哈密顿变分原理,建立中心刚体-主动伸长柔性梁耦合动力学模型;采用保结构分析方法,关注动力学系统的局部动力学行为,在恒定转矩驱动和恒定功率驱动两种工况条件下,对IKAROS太阳帆第一阶段展开过程进行仿真;发现两种工况条件下的中心刚体转动角速度演化规律差别显著,恒定转矩做功将导致中心刚体的转动稳定性变差,同时,恒定功率驱动工况下,IKAROS太阳帆第一展开阶段节能效果较好。     

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.      

多点碰撞动力学的规范求解

物体间的碰撞是工程技术中一个重要研究课题．大多数的研究工作都是集中在多刚体系统碰撞动力学问题的研究．在多刚体系统中，两个刚体之间是用一个铰连接的．但是，还存在另一类型的碰撞系统，在这类碰撞系统中，相碰的物体间没有铰存在．物体可能是自由的，也可能是被其周围环境约束的，但在物体之间没有铰的联系，这种碰撞问题称作为“分离式碰撞问题”，物体间的相互联系和相互作用仅仅在碰撞过程中存在．本文对这类“分离式碰撞问题”进行了研究，并且给出了一组解决这类问题的通用公式．这些公式可以方便地编程和计算，从而实现了多物体间的多点碰撞的动力学求解     

含摩擦与碰撞平面多刚体系统动力学线性互补算法

基于接触力学理论和线性互补问题的算法, 给出了一种含接触、碰撞以及库伦干摩擦, 同时具有理想定常约束(铰链约束) 和非定常约束(驱动约束) 的平面多刚体系统动力学的建模与数值计算方法. 将系统中的每个物体视为刚体, 但考虑物体接触点的局部变形, 将物体间的法向接触力表示成嵌入量与嵌入速度的非线性函数,其切向摩擦力采用库伦干摩擦模型. 利用摩擦余量和接触点的切向加速度等概念, 给出了摩擦定律的互补关系式; 并利用事件驱动法, 将接触点的黏滞-滑移状态切换的判断及黏滞状态下摩擦力的计算问题转化成线性互补问题的求解. 利用第一类拉格朗日方程和鲍姆加藤约束稳定化方法建立了系统的动力学方程, 由此可降低约束的漂移, 并可求解该系统的运动、法向接触力和切向摩擦力, 还可以求解理想铰链约束力和驱动约束力. 最后以一个类似夯机的平面多刚体系统为例, 分析了其动力学特性, 并说明了相关算法的有效性.      

基于李群局部标架的多柔体系统动力学建模与计算

多柔体系统动力学主要研究由多个具有运动学约束、存在大范围相对运动的柔性部件构成的动力学系统的建模、计算和控制.多柔体系统不仅具有柔体大变形导致的几何非线性,更具有大范围刚体运动引起的几何非线性,其非线性程度远高于计算结构力学所研究的几何非线性问题.本文基于李群局部标架(local frame of Lie group, LFLG),讨论如何发展一套新的多柔体系统动力学建模和计算方法体系,具体内容包括:基于局部标架的梁、板壳单元,适用于长时间历程计算的多柔体系统碰撞动力学积分算法,结合区域分解技术的大规模多柔体系统动力学并行求解器,以及若干验证性算例.上述基于李群局部标架的方法体系可在计算中消除刚体运动带来的几何非线性问题,使柔体系统的广义惯性力、广义弹性力及其雅可比矩阵满足刚体运动的不变性,使多柔体系统动力学与大变形结构力学相互统一,有望推动新一代多柔体系统动力学建模和计算软件的发展.     

弹性联系的多刚体系统动力方程

本文使用旋量与图论概念相结合的方法建立弹性联系的树形多刚体系统的普遍动力学方程。此方程也适用于讨论构件之间无刚体位移的弹性结构物的运动。采用旋量的矩阵记法使全部计算过程具有统一的矩阵形式及程式化步骤。以带偏心飞论及太阳翼的弹性结构卫星作为具体算例。弹性联系的多刚体系统是带挠性附件的航天器或考虑弹性变形的机构、机械手及其它工程对象的动力学模型。系统内的主要构件仍作为刚体,结构弹性只由联接铰的弹性变形所体现。近代航天器常带有许多可动部件,考虑联接铰的弹性变形后,系统的自由度变得十分庞大,按传统的拉格朗日方建立动力学方程,其计算过程适于繁琐而难以采用。除以一般多刚体系统为对象的Kane方法及Roberson—Wittenburg方法以外,本文提出将旋量与图论概念相结合的方法应用于弹性联系的树形多刚体系统,建立其普遍动力学方程。以带偏心飞轮及太阳翼的弹性结构卫星作为具体算例,并与Kane方法进行比较。     

柔性梁刚柔耦合碰撞动力学及变形传播研究

运用柔性多体系统刚柔耦合动力学理论,研究了作大范围回转运动柔性梁的碰撞动力学问题.考虑柔性梁的横向变形,以及横向变形引起的纵向缩短项即非线性耦合变形项.采用基于Hertz接触理论及非线性阻尼理论的非线性弹簧阻尼模型来求解碰撞过程中产生的碰撞力,运用第二类拉格朗日方程建立了系统的刚柔耦合碰撞动力学方程.编制仿真软件进行动力学仿真计算,得到了碰撞力和系统动力学响应,对比分析了不同动力学模型对系统动力学响应的影响.同时研究了碰撞导致的柔性梁横向变形传播的波动特性.     

柔性多体碰撞问题的多变量方法

针对柔性多体系统碰撞问题的特点, 提出了柔性多体系统碰撞问题的多变量方法. 在未碰撞阶段和分离后的阶段, 多变量方法考虑了物体大范围运动与变形的耦合.在碰撞阶段, 考虑非碰撞区域的变形, 对非碰撞区域用浮动参考系方法求解, 对发生碰撞的局部区域用非线性有限元方法求解. 非碰撞区域采用浮动基位形坐标和柔性体相对浮动基的变形模态坐标描述, 大大减缩了变量的维数,提高了计算效率. 碰撞局部区域采用非线性有限元节点坐标描述, 可以得到碰撞局部区域高精度的应力、应变响应, 而且可以反映碰撞局部区域的大变形、塑性等非线性响应. 该方法既能体现碰撞对系统大范围运动和长期动力学仿真的影响, 又能精确反映出碰撞发生的微小时间段内物体碰撞局部区域的应力、应变响应, 表现出碰撞过程中物体接触区域的演化历程.介绍了两杆正碰撞与铅垂面内双摆撞击自由圆盘的算例, 设计了两柔性杆正碰撞实验,多变量方法的数值仿真结果与实验测量结果很好地吻合.      

带有姿态的绳系航天器混沌运动实验研究

利用地面物理仿真平台研究了绳系航天器的混沌动力学行为. 首先, 根据天地动力学相似原理, 通过对卫星仿真器施加喷气力和动量轮力矩来模拟空间动力学环境, 提出了两种等效方案, 给出了它们各自适用的实验工况. 数值结果表明, 在轨绳系航天器在一定的参数条件下系绳摆动为周期或概周期运动、航天器姿态发生混沌运动. 物理仿真验证了等效方案的有效性, 揭示了绳系航天器的混沌运动特征, 表明在阻尼力矩的作用下可以避免绳系航天器混沌运动的发生.      

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.     

Modeling the motion of connected bodies

Spatial motion of mechanical systems consisting of jointed rigid bodies is considered. The methods previously developed to solve the dynamic equations of “carrier + loads” systems analytically for the accelerations of individual bodies are used to obtain the equations of motion of systems with complicated branched structure. The following practically important cases are analyzed: (i) a central carrier with peripheral loaded carriers and (ii) a chain and a ring consisting of loaded carriers. Numerical results are given for the stress-strain state of an elastic spacecraft represented as a chain of rigid bodies connected by elastic joints.     

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.     

DEPLOYMENT DYNAMICS OF FLEXIBLE SOLAR ARRAYS CONSIDERING FRICTIONAL JOINT

研究了空间漂浮航天器太阳阵展开与锁定过程的刚柔耦合动力学问题. 基于Jourdain 速度变分原理和单项递推组集方法, 建立了太阳阵展开与锁定过程的刚柔耦合多体系统动力学模型,采用虚功率原理推导了铰摩擦对系统动力学方程的贡献. 在以上动力学模型中引入3-D 鬃毛摩擦模型来研究铰链的摩擦特性对太阳阵展开动力学的影响. 所建动力学模型的正确性通过与商业软件ADAMS 和NASTRAN 的联合仿真对比得到了验证,该模型能够有效地预测太阳阵的展开历程以及航天器姿态的动态行为.     

考虑铰摩擦的柔性太阳阵展开动力学研究

研究了空间漂浮航天器太阳阵展开与锁定过程的刚柔耦合动力学问题. 基于Jourdain 速度变分原理和单项递推组集方法, 建立了太阳阵展开与锁定过程的刚柔耦合多体系统动力学模型,采用虚功率原理推导了铰摩擦对系统动力学方程的贡献. 在以上动力学模型中引入3-D 鬃毛摩擦模型来研究铰链的摩擦特性对太阳阵展开动力学的影响. 所建动力学模型的正确性通过与商业软件ADAMS 和NASTRAN 的联合仿真对比得到了验证,该模型能够有效地预测太阳阵的展开历程以及航天器姿态的动态行为.