结构尺寸对空间结构姿态-结构耦合的影响
作者单位：大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室 大连理工大学航空航天学院
会议名称：《第十届动力学与控制学术会议》
会议日期：2016年
学科分类：08[工学] 0825[工学-航空宇航科学与技术]
基 金：国家自然科学基金(11432010 11372056 11572069)
关 键 词：超大柔性空间结构 姿态-结构耦合 结构尺寸 结构振动频率 姿态运动频率
摘 要：本文研究了超大柔性空间结构的姿态-结构耦合现象,重点关注了结构尺寸对耦合现象的影响。目前航天器结构尺寸通常在100 m量级之内,但对于未来的超大空间结构而言,例如空间太阳能电站,其结构尺寸可达1 km至10 km量级,使得这类结构在设计时往往具有高柔性特性,直接影响其结构振动频率,导致复杂的姿态-结构耦合现象。空间柔性哑铃具有轴向变形能力,其质量集中分布在结构两端,这种分散的质量分布十分适合姿态-结构耦合的空间结构动力学分析。本文建立了在低轨道平面内运动的柔性哑铃姿态-结构耦合的动力学模型,通过仿真分析得到了结构尺寸从10 m变化至10 km过程中的多组结构响应。对比结果发现,结构尺寸的增大引起了结构振动频率和姿态运动频率的减小,但结构振动频率减小的更快。对于小尺寸空间结构,结构柔性较弱,结构振动频率远大于姿态运动频率,结构振动仅能引起姿态运动的局部振动响应,且幅度较小,对整体的姿态运动影响很小。随着结构尺寸增加,结构柔性增加,结构振动频率逐渐接近姿态运动频率,结构振动与姿态运动相互耦合的现象越来越明显,当两者频率十分接近时,由于耦合影响两者响应曲线出现变化复杂,且结构振动幅度较大,分别如图1和图2所示;当结构尺寸进一步增大时,结构振动频率越来越低,最终出现了结构不断伸长的不稳定现象。