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超大柔性空间结构姿态振动耦合稳定性分析

宇航学报 2018年第7期39卷 709-714页

作者：穆瑞楠谭述君吴志刚齐朝晖大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室大连116024 大连理工大学航空航天学院大连116024

针对太阳帆塔等细长结构的空间太阳能电站构型,以圆轨道内平面运动的空间柔性梁为研究对象,在质心浮动坐标系下,基于Hamilton原理建立了姿态运动与弯曲振动的耦合动力学模型。引入简谐形式的姿态运动假设,并验证了假设的合理性。基于此... 详细信息

针对太阳帆塔等细长结构的空间太阳能电站构型,以圆轨道内平面运动的空间柔性梁为研究对象,在质心浮动坐标系下,基于Hamilton原理建立了姿态运动与弯曲振动的耦合动力学模型。引入简谐形式的姿态运动假设,并验证了假设的合理性。基于此假设,分析了姿态运动与重力梯度对弯曲振动的第一阶频率的影响,重力梯度项的影响为简谐波动形式,而姿态运动使得弯曲振动频率降低,两者作用均随初始姿态角增大而增强。同时,推导了Mathieu方程形式的模态振动方程,并利用小参数摄动分析方法,得到了不同初始姿态角下的弯曲振动的稳定图,发现当初始姿态角越大时不稳定区域就越大。

关键词：空间太阳能电站柔性梁 Mathieu方程姿态-振动耦合稳定性分析

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格栅反射器型面的主动控制

航空学报 2018年第6期39卷 101-109页

作者：宋祥帅王恩美穆瑞楠谭述君兰澜大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室大连116024 大连理工大学航空航天学院大连116024 上海跃盛信息技术有限公司上海200240

为了提高天线反射器的型面精度,以锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)驱动的主控格栅反射器为研究对象,对该结构的力学建模方法和形状控制方法进行了研究。首先,建立了格栅反射器、PZT压电作动器一体化有限元模型。然后,采用影响系数矩阵法,以均方... 详细信息

为了提高天线反射器的型面精度,以锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)驱动的主控格栅反射器为研究对象,对该结构的力学建模方法和形状控制方法进行了研究。首先,建立了格栅反射器、PZT压电作动器一体化有限元模型。然后,采用影响系数矩阵法,以均方根误差最小为目标建立反射器型面主动控制优化模型,并通过最小二乘法求解作动器的最优控制律。最后,搭建了格栅反射器主动控制实验系统,以旋转抛物面为目标型面进行实验研究。实验结果表明,经主动控制后反射器型面精度提高了将近50%,且与仿真结果吻合较好,验证了一体化有限元建模方法的准确性和控制方法的有效性。

关键词：天线反射器 PZT作动器形状控制影响系数矩阵最小二乘法

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重力梯度力矩近似公式适用条件的探讨

力学与实践 2017年第5期39卷 496-499页

作者：谭述君殷伟栋穆瑞楠大连理工大学航空航天学院辽宁大连116024 大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室辽宁大连116024

教材中重力梯度力矩经典近似公式是基于常规尺寸空间结构推导的,如果直接应用于超大尺寸结构可能会导致精度不够、甚至错误的结果.以超大空间哑铃结构为研究对象,对比了基于重力梯度力矩非近似公式与经典近似公式得到的姿态动力学响应,... 详细信息

教材中重力梯度力矩经典近似公式是基于常规尺寸空间结构推导的,如果直接应用于超大尺寸结构可能会导致精度不够、甚至错误的结果.以超大空间哑铃结构为研究对象,对比了基于重力梯度力矩非近似公式与经典近似公式得到的姿态动力学响应,指出了经典近似公式的局限性.通过提高重力梯度力矩中近似项的保留精度,提出了修正公式,并验证了该公式的适用性.所得结论是对重力梯度力矩教学内容的有益扩展,对工程应用也有帮助.

关键词：姿态动力学超大尺寸空间结构重力梯度力矩经典近似公式适用条件

空间太阳能电站姿态运动-结构振动耦合建模与分析

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宇航学报 2018年第6期39卷 615-623页

作者：穆瑞楠王艺睿谭述君吴志刚齐朝晖大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室大连116024 中国科学院国家空间科学中心北京101408 中国科学院大学北京101407 大连理工大学航空航天学院大连116024

针对多旋转关节空间太阳能电站构型,利用基于能量等效原理的连续体等效方法将其等效为柔性梁模型,并考虑重力梯度影响,建立了姿态运动与结构振动的耦合动力学模型;结合Runge-Kutta法和Newmark法的优点,提出了适用于求解姿态运动与结构... 详细信息

针对多旋转关节空间太阳能电站构型,利用基于能量等效原理的连续体等效方法将其等效为柔性梁模型,并考虑重力梯度影响,建立了姿态运动与结构振动的耦合动力学模型;结合Runge-Kutta法和Newmark法的优点,提出了适用于求解姿态运动与结构振动耦合动力学方程的改进算法,相比于经典Runge-Kutta法大幅提高了效率;利用改进算法得到了不同参数下的动力学响应。在此基础上,推导了结构振动量级随结构尺寸的六次方量级增加的规律,仿真结果表明尺寸过大引发不稳定现象;分析了姿态运动和重力梯度对结构振动频率和振幅的影响;发现了姿态运动周期受结构柔性影响而增大的现象,这种现象在低轨以及大初始姿态角下影响更为明显。

关键词：空间太阳能电站连续体等效建模柔性梁姿态-结构耦合重力梯度

大型索网天线机电耦合动力学建模与主动变形控制

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计算力学学报 2016年第4期33卷 570-575页

作者：寻广彬吴志刚彭海军穆瑞楠邬树楠大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室航空航天学院大连116024 大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室工程力学系大连116024

索网天线因其折叠收纳比高、质量轻以及口径大等优点,成为众多空间任务的首选天线形式,但反射面精度较低限制了大型索网天线的在轨性能指标。在索网天线竖向张力索中加入压电陶瓷堆(PZT)作动器,通过主动控制提高反射面的形面精度。首先... 详细信息

索网天线因其折叠收纳比高、质量轻以及口径大等优点,成为众多空间任务的首选天线形式,但反射面精度较低限制了大型索网天线的在轨性能指标。在索网天线竖向张力索中加入压电陶瓷堆(PZT)作动器,通过主动控制提高反射面的形面精度。首先,将张紧的索网天线分为含有作动器的主动索单元和不含作动器的被动索单元,通过压电本构方程、几何方程和哈密顿原理推导出主动索单元的动力学模型,并与被动索单元一起组装得到索网天线的机电耦合动力学模型。然后,根据天线反射面的初始形面误差和所建立的天线机电耦合动力学模型,基于模型预测控制(MPC)方法计算出各作动器的控制输入电压曲线。最后,以一个10m口径的索网天线为算例,验证本文所建立的模型和控制方法的有效性。

关键词：索网天线机电耦合动力学模型主动变形控制 PZT作动器

重力梯度对超大柔性空间结构在轨动力学特性的影响

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重力梯度对超大柔性空间结构在轨动力学特性的影响

第九届全国多体系统动力学暨第四届全国航天动力学与控制学术会议

作者：谭述君穆瑞楠吴志刚大连理工大学航空航天学院工业装备结构分析国家重点实验室大连理工大学

空间太阳能电站是一种很有前景的可再生能源系统,目前所提出的空间太阳能电站概念都具有"超大"和"高柔性"两个结构特征,其千米量级的结构尺寸远远超过了人类目前研制出的最大航天器—国际空间站。对这类超大柔性结构,重力梯度的作用尤...

空间太阳能电站是一种很有前景的可再生能源系统,目前所提出的空间太阳能电站概念都具有"超大"和"高柔性"两个结构特征,其千米量级的结构尺寸远远超过了人类目前研制出的最大航天器—国际空间站。对这类超大柔性结构,重力梯度的作用尤为明显,会导致轨道、姿态和结构动力学之间的耦合。因此,本文以千米量级的哑铃模型为研究对象,基于Lagrange变分原理,考虑重力

关键词：

大型索网天线结构在轨变形分析与预测及软件研发

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大型索网天线结构在轨变形分析与预测及软件研发

中国计算力学大会2014暨第三届钱令希计算力学奖颁奖大会

作者：侯健谭述君穆瑞楠吴志刚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

收敛稳定、精度高的大型索网天线结构分析软件是进行索网天线找形分析、形面预测和高精度形面调整等研究的基础。大型索网天线结构分析存在拉索单元抗拉不抗压引起的本构非线性和大变形引起的几何非线性等难点。本文基于参变量变分原理... 详细信息

收敛稳定、精度高的大型索网天线结构分析软件是进行索网天线找形分析、形面预测和高精度形面调整等研究的基础。大型索网天线结构分析存在拉索单元抗拉不抗压引起的本构非线性和大变形引起的几何非线性等难点。本文基于参变量变分原理和非线性有限元方法,开发了大型索网天线结构在轨变形分析与预测软件(LFAS)。实现了周边桁架式索网天线结构的参数化建模、静力分析、动力分析以及找形分析等功能;该软件按模块化设计,可以方便的扩展其它功能模块。数值算例证明,LFAS软件具有更高的收敛性和精度,特别适合大型索网天线结构的高精度分析和控制。

关键词：索网天线几何非线性本构非线性参变量变分原理非线性有限元

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结构尺寸对空间结构姿态-结构耦合的影响

结构尺寸对空间结构姿态-结构耦合的影响

第十届动力学与控制学术会议

作者：穆瑞楠谭述君吴志刚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

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... 详细信息

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。

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

大型索网天线结构基于参变量变分原理的有限元分析方法及软件

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大型索网天线结构基于参变量变分原理的有限元分析方法及软件

2014年可展开空间结构学术会议

作者：谭述君侯健穆瑞楠吴志刚大连理工大学航空航天学院大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室

索网天线的口径可以达到6m-150m的范围,具有大型空间结构大型化和复杂化的特点,其结构分析需要考虑大变形引起几何非线性问题,而且索网作为天线结构的主要力学构件,具有抗拉不抗压的材料非线性特性,几何非线性与材料非线性的叠加给大型... 详细信息

索网天线的口径可以达到6m-150m的范围,具有大型空间结构大型化和复杂化的特点,其结构分析需要考虑大变形引起几何非线性问题,而且索网作为天线结构的主要力学构件,具有抗拉不抗压的材料非线性特性,几何非线性与材料非线性的叠加给大型索网天线结构的建模与求解带来很大的困难。对此,本文提出了基于参变量变分原理的几何非线性有限元方法。首先针对含预应力索单元拉压模量不同的本构关系,通过引入参变量,导出了基于参变量及其互补方程的描述形式,避免了传统算法需要根据当前变形对索单元张紧/松弛状态的预测,提高了算法收敛性。然后利用Lagrangian应变描述索网天线结构大变形问题,结合几何非线性有限元法,建立了基于参变量的非线性平衡方程和线性互补方程;并给出了Newton-Raphson迭代法与Lemke算法相结合的求解算法。该算法比传统算法具有更稳定的收敛性和更高的求解精度,特别适合于大型索网天线结构的高精度变形分析和预测。在算法研究的基础上,开发了大型索网天线结构在轨变形分析与预测软件(LFAS)。按模块化设计思想,实现了大型索网天线结构的参数化建模、静力分析、动力分析以及找形分析等功能;为其它功能模块预留了接口。目前,该软件已应用于实际工程问题的研究,基于参变量变分原理的非线性有限元算法及其软件为工程人员进行大型索网天线结构的高精度分析和设计提供了一个有效的途径。

关键词：索网天线本构非线性几何非线性参变量变分原理非线性有限元