空间环柱天线柔性多体动力学建模与仿真分析

作     者：陈争 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘一志

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 081105[工学-导航、制导与控制] 0804[工学-仪器科学与技术] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：环柱天线 绝对节点坐标法 参考节点坐标法 热动力学 轨道机动 

摘      要：大型可展开卫星天线作为信号发射与接收的设备在卫星通信、遥感探测等诸多航天工程领域发挥着十分关键的作用。大型空间环柱天线因具有口径大、展收率高、质量轻、展开后精度高等优点而备受关注。大型空间环柱天线工作在复杂的空间环境中,包括微重力、热交变等,且需要执行复杂的任务,包括轨道机动与姿态机动等,因此对大型环柱天线开展精确动力学建模与分析,预测其在复杂环境中的动力学响应,对于保障环柱天线在轨安全运行至关重要。环柱天线的动力学响应特性取决于结构特性与载荷特性,因此论文从环柱天线固有特性分析和动力学响应分析两方面开展研究,包括模态对称性分析,失谐分析,轨道热动力学分析,与轨道机动动力学分析,为大型环柱天线在轨运行状态预测与评估奠定基础。首先,基于绝对节点坐标法建立了大型环柱天线的动力学模型。环柱天线模型由立柱、绳索、径向梁和环向梁组成,通过铰接或固定连接的方式组装而成。本文依据连续介质力学理论与有限元离散,分别建立了考虑温度效应的三维二节点细长曲梁与直梁单元、预应力绳索单元,并推导其质量矩阵、刚度矩阵、广义弹性力及其雅可比矩阵的解析表达式。针对连接处共有节点的问题,提出了弹性力和雅可比矩阵修正方法,避免了采用非线性约束方程进行连接的方法,从而得到了环柱天线动力学微分方程组。以此为基础,利用牛顿迭代法计算含预应力的结构平衡位置,并将非线性动力学方程线性化,用于环柱天线的固有频率和模态计算。然后,开展了环柱天线固有特性分析。计算了环柱天线的固有频率和模态,并利用ABAQUS结果验证模型的准确性;开展了环柱天线的模态对称性分析,依据对称性对环柱天线模态开展分类研究。分析了结构参数对环柱天线固有特性的影响,揭示了绳索预应力与弹性模量变化引起的结构频率转向和模态交换规律;分析了预应力和弹性模量参数失谐引起的模态局部化特征,得到了参数失谐对受迫振动响应的影响。最后,开展了环柱天线非线性动力学响应分析。在绝对节点坐标法模型的基础上,进一步考虑非惯性系的附加惯性力耦合项,建立了基于参考节点坐标法的环柱天线动力学方程。考虑环柱天线在轨热交变环境,分析了环柱天线在轨运行一周变化温度场下的动力学响应,揭示了时变温度场对结构振动特性的影响规律。考虑环柱天线轨道转移工况,基于修正的春分点轨道根数建立了有限推力的轨道机动动力学模型,并以时间最短为目标函数优化轨迹,利用直接打靶法求解得到了其在固定有限推力下,轨道转移过程中推力俯仰角的变化,并将推力施加于环柱天线动力学模型中,分析了柔性环柱天线轨道机动动力学特性,为环柱天线在轨安全运行奠定了动力学基础。