空间在轨服务仿真试验平台的建模与仿真

作     者：刘伊鹏 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：任辉

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 082504[工学-人机与环境工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：单摆式移动载荷 立柱式移动载荷 等效梁模型 动力学建模 

摘      要：空间在轨服务仿真试验平台是对卫星、深空探测器等航行器在发射前进行地面试验的一类平台设备,其作用是模拟航行器的动力学特性以及验证其数值模型的准确性。这一类设备平台由天车系统(双跨梁和横梁小车),连接装置和目标航行器等部分组成,天车系统的作用是带动目标航行器进行大范围的运动,连接装置和目标航行器可以视为天车系统上的移动载荷。本文分别研究以悬挂绳和立柱桁架结构为连接装置的空间在轨服务仿真试验平台的动力学问题,并研究双跨梁和目标航行器的振动响应。同时,本文通过数值求解,研究了不同目标航行器的质量和运动频率对系统动力学的影响。首先,本文研究以悬挂绳为连接装置的空间在轨服务仿真试验平台的动力学问题,将其建模为天车系统-单摆式移动载荷系统模型。采用浮动坐标系法建立系统的动力学模型,利用假设模态法对总系统进行离散,得到该系统的离散动力学方程,并对系统进行动力学仿真。结果表明,天车系统-单摆式移动载荷系统中,移动载荷的摆动主要是由于悬挂绳摆角所导致的,而悬挂绳摆角的增大是由于天车系统的运动不断给移动载荷系统输入能量所导致的。其次,本文进一步研究以立柱桁架结构为连接装置的空间在轨服务仿真试验平台的动力学问题,将其建模为天车系统-立柱桁架结构-目标航行器模型。对于典型的立柱桁架结构,本文采用等效梁原理将其建模为Timoshenke梁模型,得到相关动力学等效参数并对其进行修正,然后对比分析了实际桁架结构与等效梁模型的固有振动特性。数值计算结果表明,修正后的等效梁模型有较高的精度,得到的等效弹性参数可直接运用于系统的动力学方程中。最后,本文利用浮动坐标系法建立天车系统-立柱桁架结构-目标航行器系统的动力学模型,利用场函数和有限单元法对天车系统中的横梁小车进行动力学建模,将立柱桁架结构的等效弹性性参数代入系统的动力学方程中,并进行系统动力学分析。数值结果表明,目标航行器的横向振动比较明显,这为后续系统的振动控制提供了方向。另外,影响系统振动的主要因素是天车系统的运动频率,天车系统的运动频率越大,系统振动也越大。但是当天车系统中的双跨梁和横梁小车运动频率相同时,系统的振动反而减小。