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空间环柱天线柔性多体动力学建模与仿真分析

空间环柱天线柔性多体动力学建模与仿真分析

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作者：陈争哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：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

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电动太阳风帆展开过程动力学仿真

电动太阳风帆展开过程动力学仿真

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作者：王宇哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着航天科技与工业的不断发展,深空探测逐渐成为航天领域专家学者研究的热点方向之一。电动太阳风帆(Electric Solar Wind Sail,E-sail)作为一种非常适合深空探测的推进方式吸引了很多学者的目光。近年来针对电动帆的研究层出不穷,但... 详细信息

随着航天科技与工业的不断发展,深空探测逐渐成为航天领域专家学者研究的热点方向之一。电动太阳风帆(Electric Solar Wind Sail,E-sail)作为一种非常适合深空探测的推进方式吸引了很多学者的目光。近年来针对电动帆的研究层出不穷,但是对电动帆展开过程的研究却相对较少。本文以电动帆为研究对象,针对其展开过程的建模及仿真进行研究,主要的工作内容包括:首先,提出一种基于参考节点坐标法的变长度索梁单元模型。本文从参考节点坐标法出发,利用索梁单元节点在参考坐标系中的位置与节点斜率对单元的几何构型进行描述。由于变长度单元不符合质量守恒定律,所以基于达朗贝尔原理对单元动力学方程进行推导。由于未对索梁单元进行小变形假设,所以这种单元适合对含有大变形,大位移,大转动的柔性索梁多体系统进行建模。本文通过一些算例对单元的可靠性进行验证。结果表明,此单元可以正确的表现出绳索的变长度特性。其次,针对电动帆的展开过程设计一种自旋稳定的控制方案。由于在电动帆的展开过程中,金属导线的索端张力对其稳定性的影响比较大。当金属导线处于松弛状态时,电动帆很容易失稳。所以基于使金属导线任意时刻均处于绷紧状态的原则,对电动帆的自旋展开控制方案进行设计。此控制方案以基于卡尔曼滤波器的PID控制算法为基础,以电动帆导线末端的张力为反馈信号,以电动帆导线的释放速度和远端喷气装置开关为输出,使得金属导线内部张力处于给定范围内,从而达到维持系统稳定性的目的。最后,基于前文的电动帆展开控制方案对其展开过程进行动力学仿真。通过前文介绍的基于参考节点坐标法的变长度索梁单元模型建立电动帆的多体系统动力学模型。结合设计的电动帆展开过程控制方案,对电动帆的展开过程进行仿真。针对仿真结果分析基于此控制方案的电动帆展开过程动力学特性,从而验证此设计方案的可靠性。从仿真结果可以看出,利用此控制方案可以达到电动帆自旋稳定展开的目的。

关键词：电动帆变长度索梁单元参考节点坐标法展开机构

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大型柔性空间结构动力学与姿态振动混合控制

大型柔性空间结构动力学与姿态振动混合控制

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第十九届全国非线性振动暨第十六届全国非线性动力学和运动稳定性学术会议（NVND2023）

作者：张磊任辉樊伟陈争哈尔滨工业大学

现代航天器正朝向大型化、轻质化的方向发展,大型柔性空间结构也在航天工程中有越来越多的应用。大型柔性空间结构的动力学建模与控制的研究也面临着如自由度高、大变形及运动与振动之间的耦合效应等问题,本文提出一种研究大型柔性空间... 详细信息

现代航天器正朝向大型化、轻质化的方向发展,大型柔性空间结构也在航天工程中有越来越多的应用。大型柔性空间结构的动力学建模与控制的研究也面临着如自由度高、大变形及运动与振动之间的耦合效应等问题,本文提出一种研究大型柔性空间结构航天器动力学与控制的系统方法,来解决大型柔性空间结构的建模以及其耦合控制问题。文章采用参考节点坐标法建立动力学模型,模型描述了大变形柔性结构的几何非线性,并分离了运动与变形的广义坐标;并提出了一种姿态振动混合控制方法,振动控制采用解析的线性二次控制方法,姿态控制则采用基于李群的比例-微分控制方法。数值仿真结果表明,提出的控制方法实现了某一大型柔性空间结构的在轨姿态稳定和快速大角度姿态机动控制,同时抑制了柔性结构的振动,验证了本文建模方法与控制策略的有效性。

关键词：大型柔性空间结构参考节点坐标法动力学建模姿态控制振动控制

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类梁桁架结构的保几何非线性模型降阶

类梁桁架结构的保几何非线性模型降阶

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第十九届全国非线性振动暨第十六届全国非线性动力学和运动稳定性学术会议（NVND2023）

作者：袁腾飞樊伟任辉哈尔滨工业大学航天学院

桁架式空间结构因具有比刚度大、收纳率高等优点而被广泛应用于航天工程领域。为了减少发射重量,大型空间桁架结构往往具有轻量化的特征,结构变形的几何非线性特征非常显著。为满足大型空间结构动力学分析的高精度、高可靠性要求,其有... 详细信息

桁架式空间结构因具有比刚度大、收纳率高等优点而被广泛应用于航天工程领域。为了减少发射重量,大型空间桁架结构往往具有轻量化的特征,结构变形的几何非线性特征非常显著。为满足大型空间结构动力学分析的高精度、高可靠性要求,其有限元模型往往具有非常高的自由度,不仅计算成本高昂,而且不适合用来设计控制器。因此,发展大型空间桁架结构的模型降阶方法,确保降阶模型的准确性和高效性,对于大型桁架结构的非线性动力学机理分析和控制律设计具有重要意义。传统的模型降阶方法大多只适用于小变形线性结构,而对几何非线性比较强的柔性结构效果不佳。本文基于参考节点坐标方法,提出一种保持结构几何非线性特征的模型降阶方法。将大型结构在其参考坐标系下的大量节点坐标,用其在平衡工况下的少数振动模态和模态导数表示出来,可以简单地实现模型降阶的目的。在降阶模型中,结构的非线性弹性力可以显式地表达为模态坐标的三次多项式,对应的常系数矩阵可以提前得到,能够进一步提升计算效率。这一减缩过程完全保持了结构的主要几何非线性特征,能够在保证计算精度的同时极大地减小模型的自由度,为数字孪生、远程操作等具体工程应用提供保证。

关键词：空间桁架结构几何非线性参考节点坐标法模型降阶模态导数

来源： cnki会议评论

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