大型反射面的充气展开动力学研究

为了掌握大型反射面从收拢状态到完全展开状态的动力学特性，采用气囊模型和控制体积(CV)法对反射面的充气展开过程进行研究。建立了包含中心轮毂、肋板、支撑杆、薄膜圆环和张拉绳的反射面有限元模型，提出逆解法获得折叠收拢状态下反射面的节点坐标，给出了充气展开动力学分析流程，获得了恒定充气速率下展开过程中圆环充气体积、环内压力等参数与展开时间的变化规律。结果表明，采用充气技术可进行大型反射面有序可控展开，反射面的充气展开过程分初始收拢状态、解锁释放、肋板展开、保压稳定四个阶段，地面充气展开试验结果验证了仿真分析的准确性。     

充气太阳能帆板展开动力学数值模拟预报

充气太阳能帆板是一种通过气体驱动支撑管展开的新型太阳能帆板。首先简要介绍其研究进展，然后针对充气展开支撑管，提出了分段式充气体积控制模型，基于LS—DYNA模拟了空间环境下Z型折叠充气太阳能帆板在支撑管无约束与有轴向约束控制时的展开过程，分析了支撑管每折叠段的气压变化，上横板的动力学特性以及基板的平面外振动，预报了展开过程中支撑管与基板的接触碰撞，并通过悬吊式展开试验验证了计算结果。结果表明，本文计算能够预报充气太阳能帆板在空间展开的动力学特性。     

压电桁架结构动力学建模与振动控制

考虑叠层压电陶瓷主动杆件的机电耦合效应，建立了压电桁架结构机电耦合有限元动力学模型，给出结构系统检测方程，并分析其动态特性，除位移模态外，得到了系统电势模态。采用独立模态空间控制方法对结构振动进行控制，并进行压电主动杆件的多目标最优配置，除控制能量最小化外，对非控模态的控制溢出和观测溢出最小化是另外两个优化配置目标函数，算例表明分析方法的有效性和可行性。     

太阳帆充气支撑管展开动力学分析

太阳帆可以通过气体驱动支撑管而展开。针对太阳帆充气展开方式,分别对“Z”型8折管整体与分段充气模型建立有中心刚体与无中心刚体约束两种情况的有限元模型;针对分段充气模型,根据充气装置的位置分别建立自由端与固支端充气模型。应用动力学显式求解软件LS\|DYNA 进行太阳帆支撑管充气展开仿真模拟,并对仿真结果进行了分析。     

谱元法在空间可展开结构振动带隙分析中的应用

可展开天线;索网结构;预张力优化;找形分析,需要对其进行振动带隙设计。以空间可展开结构展开态主体框架结构为研究对象,采用谱元法推导其通用的动力学方程。在频域下求解整体框架结构的动力学方程可得到结构的振动频率响应,进而探究结构的带隙特性。以二维复合梁框架结构为例,讨论了结构单元的位移响应幅度和传输系数之间的联系,提出了一种周期框架结构带隙的预测方法,并通过二维复合梁框架结构和空间伸展臂验证了这一方法的正确性。     

模拟自由边界对卫星动力学特性的影响

为了研究高精度航天器微振动试验中模拟自由边界附加质量对卫星动力学特性的影响，建立考虑附加质量的卫星地面微振动试验模拟自由边界理论模型，与卫星结构动力学模型仿真结合，分析附加质量对卫星模态频率和频率响应的影响规律。在此基础上，以施加不同附加质量的卫星结构模拟试验件为实验对象，测试验证了附加质量对卫星结构动力学特性的影响。结果表明，附加质量对结构模态频率和频率响应产生明显影响，附加质量越大，对卫星动力学特性影响越大，且对频率响应峰值的影响更加突出。据此，提出附加质量应控制在卫星总质量的5%以内，以避免其在地面微振动试验中给卫星的动力学特性及微振动响应带来严重影响。     

薄膜充气管展开模拟试验

根据多体理论中凯恩方法建立的折叠充气管模型,模拟研究了V形折叠充气管的充气展开动力学特性.由管内气压变化与充气展开时间的关系,分析了不同充气速率和初始展开角时展开加速度与时间的关系.结果表明:该模拟方法有效,展开加速度与充气速率总体成正比.另发现,为改善充气管的展开动力学性能,需控制特定展开角度范围内的加速度波动.     

大型空间电站在轨展开与组装动力学与控制

针对大型空间电站在轨展开与组装过程中复杂的动力学环境，将桁架类大型空间电站视为一个刚柔多体系统，采用自然坐标法对刚性构件建模，基于绝对节点坐标方法描述柔性桁架结构，编写了一套动力学仿真软件，实现了大型空间电站在轨展开与组装动力学的精确仿真。仿真结果表明，采用摆线运动插值函数作为控制方程有利于提高多级展开过程的稳定性；在结构组装过程中，减小组装速度，增大组装机构阻尼系数与劲度系数，有利于提高结构稳定性。最终集成了一套针对大型空间电站的动力学仿真平台搭建方法，为大型空间电站在轨展开与组装动力学预示提供了理论依据和方法指导。     

柔性绳网动力学建模与天地差异性分析

采用有限元模型研究了柔性绳网系统的动力学特性。针对空间绳网直接弹射展开方式,首先将绳网离散为若干单元,各单元处理为非线性“半阻尼弹簧”模型,然后分别计算各单元所受气动力和重力,最终建立绳网系统多柔体动力学模型。基于所建立的动力学模型分别对柔性绳网在地面和太空展开的动力学过程进行了仿真分析,研究了绳网在展开面积、空间位形和飞行距离等方面的天地差异性及其动力学机理,为未来空间绳网系统的分析设计提供理论参考。     

考虑根铰间隙的空间框架展开机构动力学分析

利用Kane法多体动力学基本理论并考虑根铰间隙影响因素，建立适用于空间柔性太阳电池阵的多框架展开机构多体系统动力学模型，对框架展开机构的展开方式和展开过程进行仿真分析，获得了机构组成部件在展开过程中的几何位置、速度、加速度等动力学特性，分析了框架展开机构各个关节点运动特性、铰链间隙与外部驱动力的相互作用规律。结果表明：合理控制框架展开机构各运动部件的驱动力矩是保证框架按照确定规律展开的必要条件；根铰间隙对太阳电池阵框架展开机构角加速度影响较为明显，进而影响到展开框架展开过程的稳定性，对转角和角速度几乎没有影响；在进行空间太阳电池阵框架展开机构设计时应严格控制铰链轴间隙，并通过动力学仿真校核间隙对太阳电池阵展开过程的影响；研究结果为空间柔性太阳电池阵多模块框架展开机构设计提供指导。     

Dynamic characteristics analysis of deployable space structures considering joint clearance

The clearance in joints influences the dynamic stability and the performance of deployable space structures (DSS). A virtual experimental modal analysis (VEMA) method is proposed to deal with the effects of joint clearance and link flexibility on the dynamic characteristics of the DSS in this paper. The focus is on the finite element modeling of the clearance joint, VEMA and the modal parameters identification of the DSS. The finite element models (FEM) of the clearance joint and the deployable structure are established in ANSYS. The transient dynamic analysis is conducted to provide the time history data of excitation and response for the VEMA. The fast Fourier transform (FFT) technique is used to transform the data from time domain to frequency domain. The frequency response function is calculated to identify the modal parameters of the deployable structure. Experimental verification is provided to indicate the VEMA method is both a cost and time efficient approach to obtain the dynamic characteristics of the DSS. Finally, we analyze the effects of clearance size and gravity on the dynamic characteristics of the DSS. The analysis results indicate that the joint clearance and gravity strongly influence the dynamic characteristics of the DSS.     

大挠性空间桁架结构的动力学建模与仿真研究

对航天器结构中常用的一字型空间桁架,基于建立的普通式和拉索式空间桁架结构简化模型,用有限元法建立空间桁架结构模型,分别对两种空间桁架结构的模态特性、谐响应和瞬时激励响应等动力学特性进行了仿真研究,分析了拉索式空间桁架结构的弦张力对桁架结构振动特性的影响。研究较好地模拟了大挠性空间桁架结构的动力学特性及其在外太空的真实工况,有一定的参考意义。     

大型可展收支撑臂模态试验研究

大型可展收支撑臂具有低频、振动响应非线性的特性,文章对其模态试验进行了详细研究。通过有限元模型分析得到响应点和激励点的位置,采用不同的试验方法实施支撑臂的模态试验,对试验数据进行分析,得到支撑臂前6阶模态的固有频率、模态阻尼和模态振型。结合有限元方法对试验进行对比分析,表明试验结果可靠。该研究成果对太阳翼、展开天线等大型部件的模态试验也具有一定借鉴意义。     

空间伸展臂热应变与热变形光纤监测技术

针对空间伸展臂在热载荷作用下承载特性与形态变化的监测需求,提出了一种基于分布式光纤传感器的伸展臂结构温度、热应变以及热变形集成监测技术。借助ANSYS Workbench有限元分析软件,构建了单端热载荷作用下铝合金空间伸展臂结构热-力模型,分别得到不同局部热载荷下伸展臂轴向温度、热应变以及热变形分布与变化规律。在此基础上,提出了基于有限元分析与热传导理论的两类伸展臂轴向热变形计算方法。构建了分布式光纤传感监测系统,实时监测伸展臂若干关键位置的温度值与应变值,进而反演出结构轴向温度场、应变场连续变化信息。研究表明:采用有限元拟合法与热传导解析法计算所得伸展臂轴向热变形误差分别为5.256%与3.556%。相关成果能够为未来航天器在轨服役状态监测与辨识提供技术支撑。     

含间隙铰链的非线性动力学建模及数值分析

针对空间可展开机构中的含间隙铰链,建立非线性动力学模型,研究其非线性动力学特性。将含间隙铰链实体等效为"T"字型梁模型,针对两侧端部的径向碰撞和侧向碰撞,首次提出了碰撞点的检测算法。针对不同的碰撞类型,建立相应的非线性接触力和摩擦力分析模型,将碰撞点处的作用力等效施加到"T"字型梁模型上。进行"T"字型梁模型在轴向冲击载荷下的动力学特性分析,并与ANSYS软件的分析结果进行比较,验证了含间隙铰链非线性动力学模型的有效性。分析了有多个含间隙铰链的可展开桁架动力学响应特性,研究含间隙铰链对桁架响应的影响机理。结果表明:采用含间隙铰链的动力学模型,可以更加精确地分析可展开桁架结构的非线性动力学响应,为可展开桁架结构的动力学设计提供支撑。     

四机并联发动机低频动态特性分析

为了获得发动机结构的低频动态特性,采用有限元方法进行了液体火箭一级四机并联发动机(含机架)的计算模态分析。由于发动机为复杂的非对称结构,建模时按质量和刚度等效原则将推力室的夹层结构简化成单层板,其余结构大都按空间梁简化,通过改变材料密度保证了模型质量与发动机稳态工作时的质量一致。简化后的计算规模适中,既反映了结构的主要特征又不浪费计算机资源和时间。计算结果表明了四机并联发动机系统中有多阶轴向运动较大的模态值得注意,需避免它们和发动机的低频脉动及箭体的低频振动耦合。     

新型充气展开遮光罩设计方案研究和仿真分析

设计一种充气展开遮光罩结构,实现径向和轴向依次展开.提出遮光罩的结构方案、折叠方式和结构中各组件合适的材料,使得结构展开状态和折叠状态分别能够达到一定的尺寸要求.文章还对充气展开遮光罩进行静力分析和展开过程仿真,仿真分析结果表明,遮光罩能够顺利展开,遮光罩壁保持理想的工作表面.     

Optical methods for non-contact measurements of membranes

Structures for space applications very often suffer stringent mass constraints. Lightweight structures are developed for this purpose, through the use of deployable and/or inflatable beams, and thin-film membranes. Their inherent properties (low mass and small thickness) preclude the use of conventional measurement methods (accelerometers and displacement transducers for example) during on-ground testing. In this context, innovative non-contact measurement methods need to be investigated for these stretched membranes.The object of the present project is to review existing measurement systems capable of measuring characteristics of membrane space-structures such as: dot-projection videogrammetry (static measurements), stereo-correlation (dynamic and static measurements), fringe projection (wrinkles) and 3D laser scanning vibrometry (dynamic measurements).Therefore, minimum requirements were given for the study in order to have representative test articles covering a wide range of applications. We present test results obtained with the different methods on our test articles.     

单翼大挠性航天器全局模态动力学建模及试验

针对小中心刚体-单侧大挠性结构构型的航天器，通过定义广义全局模态振型，提出一种全局模态动力学模型。采用统一形式描述整体刚体运动和整体挠性变形，基于哈密顿原理推导了全局模态动力学方程，结合瑞利瑞兹法推导了非约束模态频率和模态振型的计算方法。通过仿真和试验校验了全局模态动力学模型的准确性。与有限元模型对比，分析了非约束模态频率随着刚柔质量比和惯量比的变化情况，第一阶模态频率的最大误差为0.003 Hz，说明全局模态动力学模型能够比较准确地描述非约束模态频率；理论模型能够比较准确地描述动态响应，端部横向位移的最大误差为2.6%；基于气浮平台构建了试验系统，理论模型、有限元仿真和物理试验结果均比较接近，说明理论模型准确描述了非约束模态频率随刚柔耦合特性变化的规律。