磁悬浮控制力矩陀螺热-结构耦合分析与研究

作为新型航天器姿态机动执行机构,磁悬浮控制力矩陀螺(MSCMG)长时间工作在高真空环境下且高速转子完全悬浮,散热条件差,系统温度过高,导致陀螺组件产生较大的热应力,降低了陀螺结构部件的强度。为减小温度场对陀螺结构部件强度的影响,提高陀螺结构的可靠性,采用有限元法计算出磁悬浮控制力矩陀螺工作状态下的温度场,并基于温度场分析陀螺结构部件的应力分布情况,明确温度场对陀螺结构部件力学性能产生的影响。建立了陀螺热网络模型,根据热网络模型与热网络方程分析热量传递路径及温度影响因素,并提出相应的优化措施。经优化,定子组件最高温度从66.5℃降至49℃,转子组件最高温度从91.7℃降至76.9℃。陀螺定子组件的强度安全系数由1.52提升为1.73,提高了13.8%,陀螺转子组件的强度安全系数由1.32提升为1.56,提高了18.2%。      

一种抑制控制力矩陀螺框架电机共模电压的方法

控制力矩陀螺作为执行机构,是保障航天器在轨寿命和工作性能的核心部件之一。为了抑制控制力矩陀螺外框电机的共模电压,提高控制力矩陀螺的在轨寿命,本文提出了一种三相四桥臂的拓扑结构与优化的SVPWM调制算法结合的共模电压抑制方法,调制过程中避免零矢量的使用,使驱动器可以保持在平衡状态,经过仿真试验的结果对比分析,验证了这种方法可以有效的抑制系统的共模电压。     

磁悬浮控制敏感陀螺转子前馈解耦内模控制

磁悬浮控制敏感陀螺以洛伦兹力磁轴承（LFMB）为力矩器驱动转子偏转。针对磁悬浮控制敏感陀螺转子径向转动自由度间存在耦合的问题以及转子偏转高精度快响应要求,提出一种前馈解耦内模控制方法。根据洛伦兹力磁轴承的工作原理建立了转子偏转动力学模型,并设计了前馈解耦矩阵实现转子径向偏转解耦,在此基础上,采用二自由度内模控制器（2-DOF IMC）对转子进行高精度快响应偏转控制。MATLAB仿真结果表明所提出的控制方法可有效实现对陀螺转子偏转的完全解耦,且转子偏转响应时间较交叉PID算法减少57.1%,受0.1sin（2πt）°正弦信号扰动影响产生的偏转波动幅值较交叉PID算法减少76%。      

基于复合控制的磁悬浮CMG动框架效应抑制

针对磁悬浮控制力矩陀螺（MSCMG）动框架效应导致转子悬浮精度和稳定性降低的问题，提出一种角加速率自适应前馈控制与自抗扰控制（ADRC）相结合的复合控制方法。建立了MSCMG转子动力学模型，分析了框架转动情况下的磁轴承扰动力矩，设计了角加速率自适应算法和线性扩张状态观测器，并结合状态反馈控制设计了复合控制器，同时对磁轴承控制系统进行了稳定性分析，仿真结果验证了所提复合控制方法的有效性。利用研制的样机搭建实验平台进行验证，结果表明:所提方法与传统PID控制方法相比，磁悬浮转子收敛后的位移峰峰值降低了39.6%，提高了磁悬浮系统的抗干扰能力。      

轻型空间相机主承力基板结构拓扑优化计

针对目前轻型空间相机主承力基板在结构设计过程中难于同时保证重量轻且刚度高的问题,提出了采用拓扑优化设计思想进行设计的方案.通过建立基于变密度方法的拓扑优化设计数学模型,运用Nastran软件对相机主承力基板进行拓扑优化设计,给出了主承力基板的最优设计方案.经过拓扑优化后相机主承力基板质量从初始的36.8 kg降低到15.4 kg,轻量化程度达58.2%.采用有限元分析方法对拓扑优化的结果进行了模态分析,以验证主承力基板刚度分布是否合理.通过0.5 g扫频振动试验对有限元分析结果进行验证,振动试验结果表明,主承力基板结构一阶自然频率理论分析与试验结果偏差1.86%,充分证明理论分析结果的正确性和准确性.整个优化设计过程证明,采用拓扑优化设计方法大大提高了研制效率,增强了空间相机主承力基板结构的性能,有效降低了基板的重量,满足系统设计要求.     

磁悬浮敏感陀螺动力学建模与关键误差源分析

基于转子动力学构建了针对一种新型双球形包络面转子磁悬浮敏感陀螺（MSSG）动力学模型,并对陀螺关键误差源进行了理论分析。描述了磁悬浮敏感陀螺的结构特点与角速率测量原理,并分别建立了磁悬浮转子所受电磁力与电磁力矩数学模型,分析了转子微小平移与偏转对转子力学状态的影响机理,利用ANSYS软件得出的有限元仿真结果与模型计算结果基本吻合。在此基础上,从理论上对转子非球形误差和洛伦兹力磁轴承误差2种主要误差源进行了初步分析,给出了干扰力矩解析表达式。计算表明:转子非球形和洛伦兹力磁轴承中磁场分布不均是导致测量误差产生的主要因素。模型的构建可为磁悬浮敏感陀螺的优化设计与分析提供有效理论依据。      

航天器设备动力学分析模型简化方法与应用

针对航天器设备因构成复杂引起的动力学分析模型建模困难问题,提出一种基于拓扑优化技术的有限元模型简化方法,以设备实测质量特性为约束条件,通过拓扑优化方法确定设备有限元模型可行设计空间中的材料分布,实现对结构刚度性能的模拟,获得满足动力学特性分析需要的简化的设备有限元模型。应用该方法创建了某星敏感器简化有限元模型,得到的星敏感器简化模型与产品实际质量、质心位置和转动惯量特性基本一致,并且前两阶频率分析值与试验值之间最大偏差约为30%。将该简化模型应用于其支撑结构的动态响应性能评估,两者组合体固有频率及加速度响应趋势的分析数据在450Hz以下的频率范围内与试验数据吻合较好,固有频率最大偏差约为39%。星敏感器简化模型的应用验证了基于拓扑优化技术的有限元模型简化建模方法的可行性,为航天器上复杂设备动力学分析有限元模型的简化建模提供了一种新的解决途径。     

可变构型的控制力矩陀螺控制方法

针对固定构型的控制力矩陀螺群无法灵活改变其合成角动量包络以适应卫星不同工况的姿态机动需求问题，设计了一种可变构型的控制力矩陀螺群控制方法。建立了可变构型的控制力矩陀螺群的动力学模型；在考虑控制力矩陀螺群框架角速度、高速转子转速以及构型倾角变化速率等多变量下，设计了可变构型的控制力矩陀螺群的操纵律；分析了构型倾角固定和构型倾角可变情形下的控制力矩陀螺群合成角动量包络和奇异状态分布情况。采用可变构型的控制力矩陀螺群进行了卫星多工况姿态敏捷机动控制。数学仿真校验表明，可变构型的控制力矩陀螺控制方法能够实现金字塔构型下不同数目的控制力矩陀螺故障时的卫星三轴敏捷机动控制。     

空间站组合体惯性系内角动量管理控制

针对惯性系内重力梯度力矩与气动力矩的常值部分积累引起控制力矩陀螺饱和的问题,在惯性系内建立空间站的动力学模型并进行线性化,利用滤波变量将系统状态方程扩维,采用LQR方法设计系统反馈控制增益矩阵,实现空间站在惯性系内的角动量管理控制.惯性系内重力梯度力矩、气动力矩由轨道角速度整数倍的频率成份构成,可以根据实际情况增加抑制不同频率成份的滤波变量,用于抑制不同频率成份干扰力矩对空间站姿态或控制力矩陀螺角动量的干扰,从而使空间站长期在惯性系内飞行而不需要进行角动量的卸载.仿真验证了控制器的性能.     

卫星天线复合材料框架的铺层优化设计

为了改善卫星天线复合材料框架的结构动力学性能,提出了一种针对卫星天线框架复合材料铺层的两阶段优化设计方法。阶段Ⅰ以各铺层的角度为设计变量进行铺层顺序优化,框架基频的最大化为优化目标,铺层数的最大值为约束条件。其中设计变量用一种多进制码来表示,并将多进制码映射为连续变量,应用粒子群优化(PSO)算法对阶段Ⅰ优化模型进行求解。在阶段Ⅰ优化结果的基础上,阶段Ⅱ主要是优化复合材料的层数,以基频最大化与质量最小化为优化目标建立多目标拓扑优化模型,应用第2代非劣排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)进行求解。为了验证该方法的有效性,对某大型卫星天线复合材料框架进行优化设计,结果表明:该方法能有效地减小天线板复合材料框架的质量,并提高基频。     

T型尾翼动气动弹性优化设计

T型尾翼构型复杂,操纵面多,在动气动弹性的有限元建模和颤振特性设计中,需要修改的参数多,颤振分析复杂,设计人员面临很大的困难.通过在设计过程中引入优化方法,能够有效的解决这些问题.依据遗传算法和敏度优化算法的特点,针对固有振动和颤振优化设计的不同要求,将两种优化方法进行混合和递进应用,形成不同的优化设计方法.建立固有振动频率和颤振阻尼对结构参数的敏度公式,设计两种不同优化问题的数学模型.将优化方法应用于某T型尾翼的结构动力学优化设计,提高了设计速度,保证了设计精度,固有振动频率误差保证在3%以内.在保证质量最小的要求下,使颤振速度得到提高,并为实际结构的设计提供一定指导.      

航空发动机承力结构隔振设计方法及试验

基于先进航空发动机承力框架的结构与力学特征,通过理论分析与仿真计算验证了高隔振性承力框架结构动力学设计方法。通过对承力结构刚度/质量分布及几何构形突变的优化设计,提高转子支承结构在宽频域内的机械阻抗,实现在转子工作转速范围内的高隔振性。根据承力结构刚度/质量分布对隔振性的影响,采用折返式非连续结构,设计并搭建了转子-承力框架试验系统,通过试验进一步验证了高隔振性承力框架设计方法。试验结果表明:在承力结构中采用非连续性设计可在宽频域内对不同位置支点处激励具有良好的隔振效果。      

红外导引头平台底座拓扑优化设计

为了提高红外导引头动静态性能，以底座轻量化为设计目标，静刚度和基频为限制条件，采用变密度法的拓扑优化理论，利用三维设计软件和有限元分析软件对红外导引头平台底座进行拓扑优化设计。并对比分析了拓扑优化前后底座结构的各项指标，结果表明优化后的底座在质量减小了26.3%的情况下，最大变形量减小了7.6％，最大应力基本不变，基频提高了11％，有利于红外导引头轻量化水平的提升和整机性能的提高。最后，通过冲击振动试验，验证了红外导引头的跟踪性能，说明了红外导引头平台底座拓扑优化的可行性。     

任意寿命分布的多部件系统备件配置优化算法

针对部件服从任意寿命分布的多部件系统,提出了基于蒙特卡罗仿真-边际效益分析的备件配置优化算法,采用蒙特卡罗仿真方法计算备件供应效能值,在此基础上引入边际效益分析法确定备件的优化配置.算例中以供应延误时间为供应效能目标值,以费用为约束条件,得到了由若干指数寿命件、正态寿命件和威布尔寿命件组成的多部件系统的备件优化配置清单,并对算法进行了比较验证,结果表明该算法对于解决复杂系统的备件优化配置问题具有良好的适用性.      

基于二级多点逼近算法的航天器结构优化设计

在某新型卫星结构研制的初样阶段,建立了卫星初始设计的有限元模型.以主承力桁架结构中各梁的截面尺寸为设计变量,考虑整星模态频率和强度约束,建立了以结构重量最轻为目标的优化模型.应用二级多点逼近优化算法进行了结构优化计算,在每一个计算周期中,原结构优化问题先转化为具有较高精度的第1级多点近似问题,该问题则通过可由对偶法快速求解的第2级近似问题逼近.经过初步试算、设计改进和再优化3个阶段,设置并进行了一系列的优化计算,逐步明确了设计的方向和各结构参数的取值范围,得到了合理的可行方案,为该卫星平台结构初样的详细设计提供了参考,同时表明所采用的优化方法适用于工程结构优化问题.      

航天器桁架结构拓扑优化设计

对带有附加结构的卫星主桁架结构进行了拓扑优化设计。优化的目的是在满足结构柔度和基频约束条件下使结构体积(结构质量)最小。对优化时可能存在的重频优化问题,采用半定规划法建立了结构优化模型,该方法可回避重频情况下敏度分析所带来的困难,对有无重频问题均适用。对附加结构的刚度及质量对拓扑优化结果的影响进行了讨论,并进行了多方案设计和比较。对桁架结构拓扑优化中常见的次元问题进行了分组处理,在满足卫星力学性能指标前提下,大幅度降低了桁架结构的质量,获得了工程适用的结构设计方案。     

基于Patran/Nastran的结构优化系统的工程应用

采用基于有限元软件Patran/Nastran二次开发的结构优化系统,对两个卫星结构进行了以重量为目标、考虑基频和应力等约束的优化设计.系统由用户在Patran环境下完成问题建模,优化过程中调用Nastran作结构分析并结合二级多点逼近算法寻优.设计对象是由蜂窝夹层板、不同截面形状梁、板壳等组成的典型复杂航天器结构,设计过程中还利用人机交互技术,最终使重量明显降低,为工程部门改进设计提供了依据.算例结果之一与其他结构优化系统结果一致,进一步说明了所开发系统的正确性.     

基于有限元3-RPS并联机床轻量化优化设计

为了减轻3-RPS并联机床质量,提高其刚度,分别对静平台与支链进行了结构改进.采用连接单元模拟机床中运动副,对并联机床静刚度进行有限元分析.通过分析结果获得静平台的刚度薄弱环节、支链的变形及其对机床变形的影响规律.在静平台刚度薄弱处增加抵抗变形的筋板,并通过减小其框架尺寸的方式优化静平台结构.采用悬臂梁模型分析支链的变形,以支链质量和变形乘积最小对支链进行尺寸优化.改进后的并联机床质量显著减轻,机床变形明显减小.优化结果能够提高机床动态响应性能以及机床精度.