航天器挠性梁伸展动力学特性数值分析

利用动量矩定理推导出带挠性伸展梁航天器的姿态动力学方程,推导了梁质量微元的动力学方程.在梁等速伸展的情况下对动力学方程进行变换,通过Runge-Kutta积分法得出了数值解.结果表明:梁等速伸展时,其振动的振幅随其长度的增长而增大;随航天器初始姿态角速率的增大而增大;随伸展速率的增大     

自旋挠性航天器非约束模态动力学特性研究

在研究挠性航天器动力学问题时,关注的问题是挠性航天器系统的刚柔耦合作用问题,即航天器挠性附件的振动可能会造成航天器运动失稳。针对中心刚体-双侧大挠性结构的自旋航天器,提出了航天器帆板结构的梁式简化模型,建立了一种非约束模态动力学模型。本研究考虑受到万有引力作用,探讨自旋挠性航天器非约束模态的动力学建模及动态特性。首先利用欧拉方程和哈密顿原理建立了自旋挠性航天器动力学方程,方程解释了刚性模态和弹性模态之间的耦合;然后进行了模态离散化,分别在约束模态和非约束模态下对特征值问题开展研究,对频率和相关振型进行了定量比较;最后进行了数值仿真,求解了自旋挠性航天器非约束模态特征值问题,比较约束模态与非约束模态之间的差异,并用有限元进行验证,得到了随着梁长度的增加,即刚柔惯量比、质量比的减小,非约束模态比约束模态更加准确的结论。     

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.      

挠性根部梁的动力学建模

挠性根部梁具有整体平动和转动自由度，其传统模型只适宜根部挠性很小的梁．采用柔性多体系统的建模方法建立了挠性根部Euler—Bernoulli梁的非线性动力学模型及线性耦合模型，所建模型不受根部挠性大小的限制；既可描述挠性根部梁的耦合振动，也可分别退化为固支梁或刚性梁的动力学模型；且线性耦合模型可线性变换为挠性根部梁传统模型．作为算例，采用假设模态法分析了两类线性模型的振动特性，表明线性耦合模型优于挠性根部梁传统模型．     

挠性联结双体航天器的稳定性与分岔

研究圆轨道内受万有引力矩作用的挠性联结双体航天器在轨道平面内的姿态运动,讨论其相对轨道坐标系统平衡状态的稳定性与分岔。提出判平衡方程非平凡解存在性的几何方法,并应用Ｌｉａｐｕｎｏｖ直接法、Ｌｉａｐｕｎｏｖ－Ｓｃｈｍｉｄｔ约化方法和奇异性理论导出解析形式的稳定性与分岔的充要条件,从而对系统的全局运动性态作出定性的描述。     

航天器太阳阵伸展过程最优控制的遗传算法

本文讨论航天器太阳阵伸展中航天器姿态的最优控制问题。利用动量矩守恒原理导出带太阳阵航天器的动力方程,指出了系统的非」完整约束性质。将航天器太阳阵展开过程中主体姿态控制问题转化为非线性系统最优控制问题。厚优控制中引入遗传算法,替代传统的牛顿迭代方法。提出基于遗传算法的非完整运动规划最优控制算法。通过数值仿真表明,该方法对太阳阵伸展过程航天器姿态控制是有效的。     

航天器铰接结构非线性动力学特性研究进展

航天器铰接结构非线性动力特性研究直接关系到航天器动力学模型的建立、航天器姿态控制方案的制定、有效载荷指向稳定度的保持以及部件可靠性的提高, 是航天器设计领域的研究重点之一. 首先介绍航天器铰接结构研究中发现的非线性动力学现象和对该类问题的研究思路, 然后分别对铰链非线性和高维非线性系统动力学研究的最新研究成果进行介绍, 最后对航天器铰接结构非线性动力学特性研究的发展前景进行总结.      

挠性多体系统动力学

本文以递推形式给出了挠性多体系统的动力学方程。此方程具有如下特点:(1)对整个系统而言,方程数目多,但递推的每一步只需要解低维的方程组,从而避免了高维矩阵的求逆,减少了计算量。(2)对不同类型的问题,方程形式具有很高的相似性,便于程序编制,各个需要求逆的矩阵都是对称正定的,这样减少了计算量和计算机内存单元。(3)这种方程形式处理非树形和带有约束条件的系统很方便。     

力学复合环境下挠性陀螺仪的动力学分析

为研究分析挠性陀螺仪在过载振动复合环境下附加误差形成的机理和建立误差补偿模型,从结构分析入手,采用有限元分析软件ANSYS建立陀螺仪的实体模型和有限元模型,计算陀螺仪的章动频率,并与实验测量值进行比较,验证了模型的正确性;对挠性陀螺仪在过载-振动复合环境中的动力学特性进行分析研究,得到了各节点轴向位移,结合施加的载荷即可以计算得到陀螺仪的漂移角速度;同时通过模态分析计算得到陀螺仪的固有频率及相应振型.     

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.      

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.     

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).      

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...     

柔性全充液航天器大角度姿态机动混沌动力学

研究了受液体燃料黏性阻尼及柔性附件扭振影响的全充液航天器由最小惯量轴向最大惯量作大角度姿态机动过程中的混沌姿态动力学, 尤其是液体燃料和柔性附件振动的耦合效应对航天器姿态动力学的影响. 推导了耦合系统的动力学方程并利用尺度化方法将其转化为扰动系统的标准形式以便应用Melnikov方法对系统进行混沌姿态预测.推导了以系统参数形式表达的混沌姿态预测的解析准则. 将利用数值方法所得到的对系统的数值仿真结果与Melnikov解析准则进行了比较和评述. 研究了诸如航天器构型、液体燃料惯量及阻尼、柔性附件固有频率等系统特征量对混沌姿态的影响.      

随机空间柔性多体系统动力学分析

轻质、高精度的柔性多体系统被广泛应用于实际工程领域中.由于实际设计公差、制造误差及环境温度等多种不确定因素的存在,使得柔性多体系统的结构参数(物理参数和几何参数)表现出随机性.具有随机结构参数的动力学模型能够客观地反映出真实系统的动力学行为,且结构参数的不确定性对空间柔性多体系统动力学响应的影响是不容忽视的.针对具有多个随机参数的空间柔性多体系统,提出了一种基于广义alpha算法的非侵入式随机柔性多体系统动力学计算方法.采用绝对节点坐标公式(absolute node coordinate formulation, ANCF)来描述柔性体, 推导建立多体系统动力学模型.利用混沌多项式展开(polynomial chaos expansion, PCE)法构建系统随机动力学方程的代理模型,然后将随机响应面法(stochastic response surface method, SRSM)嵌入广义-alpha方法中,分别采用改进抽样的回归方法(regression method of improved sampling, RMIS)和单项求容积法则(Monte Carlo simulation, MCR)来确定样本点.将数值计算结果与蒙特卡洛模拟(Monte Carlo simulation, MCS)结果进行对比, 验证了所提算法的有效性.在相同的定积分精度的条件下,根据单项求容积法则确定的样本点的计算结果稳定性更强, 且其计算效率更高.      

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.     

弹性连接旋转柔性梁动力学分析

采用Chebyshev 谱方法对考虑根部连接弹性的平面内旋转柔性梁动力学特性进行研究. 基于Gauss-Lobatto 节点与Chebyshev 多项式方法对柔性梁变形场进行离散,通过投影矩阵法施加固定及弹性连接边界条件. 利用Chebyshev 谱方法获得了系统固有频率和模态振型数值解,通过与有限元方法及加权残余法的比较,验证了方法的有效性. 分析了弹性连接刚度、角速度比率、系统径长比及梁的长细比等参数对系统固有频率及模态振型的影响. 研究发现:由于系统弯曲模态、拉伸模态的频率随各参数的变化规律不一致,将出现频率转向与振型转换现象;随着弹性连接刚度、角速度比率及系统径长比的增大,低阶弯曲模态频率增大并超过高阶拉伸模态频率,随着梁的长细比的增大,低阶拉伸模态频率增大并超过高阶弯曲模态频率.