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。     

多约束下铰链力矩最优俯冲制导方法

针对高超声速飞行器俯冲段铰链力矩过大问题,提出一种考虑终端落角和落点约束的铰链力矩最优俯冲制导方法。首先通过瞬时平衡假设建立铰链力矩与过载的线性关系,以过载量间接表征铰链力矩;其次以过载为控制量,将俯冲段相对运动方程化为显含过载的状态空间形式;最后,利用最优控制理论,以过载最小为性能指标,引入伪控制量,求解出过载最小的解析最优制导律。仿真结果表明该方法能高精度的满足终端落角和落点约束,并且过载峰值降低,铰链力矩最大值显著减小。     

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。     

不同重力环境下间隙铰链关节磨损分析

为研究不同重力环境对空间机构间隙铰链关节磨损的影响，将机械系统摩擦学行为和动力学行为相耦合，建立了磨损与动力学耦合分析模型和数值计算框架。首先采用非线性弹簧阻尼模型作为间隙处接触碰撞力的计算模型，同时采用Coulomb 法来计算运动副间隙处的摩擦力，进而建立了含间隙的机构动力学模型；然后通过基于Archard磨损模型二次开发的ANSYS程序来计算磨损，其中运用节点位移的方法来描述磨损过程。结果表明：当间隙关节转速较低时，重力对于关节轴承的磨损分布和磨损程度的影响很大，轴承出现集中磨损现象，磨损间隙急剧增加，严重影响机构的性能和精度；随着关节转速升高，重力对间隙关节磨损的影响逐渐减弱，轴承的磨损分布、磨损程度和关节最大磨损间隙的增长率将逐渐与微重力环境下趋同。     

3-UPS/S并联转台球铰链的优化研究

受球铰链最大转角的影响,并联机构的最大倾角通常在30°左右。3-UPS/S并联转台的大倾角要求,需要有大转角空间的球铰链。本文首先建立了转台球铰链的无量纲模型,运用二维空间搜索的方法得到了最优的球铰链法线和球铰链最大转角。然后研究了转台参数对球铰链最大转角的影响,并选择了合适的转台初始角度。针对转台的大运动空间要求,对转台的参数和球铰链的参数进行了优化设计,最后对球铰链的转角和转台的运动空间进行了验证。为物理样机的设计制造提供了依据。     

舵反操纵问题研究

多数战术导弹采用空气舵来产生稳定和控制导弹飞行所需要的力和力矩,通过舵面压力中心并作用在舵面上的气动力相对舵轴形成的铰链力矩是舵伺服系统的主要负载力矩,它是影响弹上控制系统及辅助能源装置性能、功率、重量和尺寸的一个主要因素.在导弹的气动外形及总体有关参数确定之后,铰链力矩大小与舵面转轴位置选择有关,当舵面压心位于转轴之后时,与偏转角     

九宫格超弹太阳池阵列折展性能仿真与优化

弹性铰链是一种自驱动柔性机构。其只依赖折叠时储存的弹性能量，并在展开时自然释放，不需要部署外部能源。弹性铰链具有重复性高、精度高、轻质、能耗低等优点，因而被广泛应用于航天领域。文章针对不同组合形式弹性铰链展开状态的稳定性问题，基于压杆稳定理论，建立对向单层弹性铰链的峰值力矩模型，分析其屈曲失稳情况，进而有效估计出空间折展机构抵抗外界载荷的能力。采用ABAQUS建立弹性铰链的有限元模型，以此来准确描述其折展特性。利用全因子实验设计方法对样本点进行实验规划，进而建立可描述铰链折展特性的数学代理模型，并以簧片间距离及中心角为变量对弹性铰链进行优化设计，得到使弹性铰链机构具有较大弯曲力矩以及较小最大收展应力的最佳结构参数为中心角76°，簧片间距离Se为16.2mm。     

基于扭矩-预紧力试验的管接头拧紧力矩控制研究

基于紧固件扭矩-预紧力试验方法,本文建立了球头-喇叭口密封结构管接头扭矩-预紧力试验原理模型。在此基础上,开展了管接头扭矩-预紧力试验,测得管接头扭矩-预紧力关系曲线及预紧力-转角关系曲线,给出了推荐安装力矩范围,并通过产品试验验证了拧紧力矩控制方法的合理性。     

非线性连接结构对一个典型卫星频率漂移的影响

文章针对一个典型的卫星桁架结构建立了三自由度运动模型,分别引入间隙非线性和Iwan模型描述了非线性连接结构;利用数值方法研究了系统的频率漂移,讨论了间隙大小、预紧力（重力）、系统阻尼、随机间隙及Iwan模型的参数对频率漂移的影响;对比了两种非线性连接结构下系统频率漂移的特点。研究表明,间隙结合预紧力条件可令结构呈现“硬弹簧-软弹簧”特性的频率漂移,迟滞和间隙两种非线性引起的频漂在幅频曲线上表现出不同的特点。     

基于神经网络的非线性结构有限元模型修正研究

现有的动态有限元模型修正方法几乎都是建立在线性假设基础之上，修正中利用固有频率等线性系统特征量。工程中，真实的结构振动系统都是非线性的。虽然在许多情况下，线性化假设获得的结果能够较为准确地反映真实系统的特性。但是，在结构的非线性特征较为明显时，必须考虑非线性因素，这时，现有的模型修正方法将不再适用。现以非线性梁为研究对象，采用基于神经网络的修正方法探索了非线性结构的有限元模型修正问题。仿真研究中利用有限元分析的响应数据训练神经网络。修正结果表明，包括非线性弹簧刚度系数在内的三个设计参数修正后误差均在1％以内。说明基于神经网络的有限元模型修正方法适用于解决非线性结构的有限元模型修正问题。     

A procedure for calculating the damping in multi-element space structures

A procedure is outlined for estimating the damping in a multi-element space structure by incorporating distributed material damping and discrete nonlinear joint properties into a linear analysis. Tests have been conducted in which the transient response of a truss member is measured in free fall in a vacuum in order to obtain precise material damping characteristics. The force-state mapping technique is then used to identify the localized nonlinearities in joints by mapping the force transmitted through the joint as a function of the full mechanical state of the joint. The identified nonlinear joint parameters are then linearized using an equivalent energy approach which finds the equivalent linear stiffness and linear viscous damping by equating the integrated work done and energy dissipated by the nonlinearity to those of a spring and damper undergoing sinusoidal motion. The distributed material damping and localized nonlinear effects are then incorporated to form a linearized damped finite element model. Finally, an eigenvalue perturbation analysis is developed to explore the effect of introducing damping at the joints on the overall dynamics of the truss, and to obtain design guidance on where supplemental joint damping might optimally be added.     

非线性弹簧形态优化及可调节恒力装置设计

基于组合结构研究一种可调节恒力装置的设计方法，恒力装置由负刚度非线性弹簧和正刚度线性弹簧组合而成。采用B样条曲线描述非线性弹簧的形态，基于GA算法和非线性有限元法实现非线性弹簧的形态优化设计。根据恒力装置的工作原理，设计线性螺旋弹簧，并分析刚度/强度特性。组合结构的力学性能分析表明恒力装置可以实现输出恒力。为了实现自我保护、输出的恒力大小/方向可调，进行了恒力装置的部组件设计。本文的恒力装置设计方法为平面薄膜天线和太阳电池阵的工程研制提供了技术支撑。     

固体发动机复合材料裙轴压屈曲载荷计算

利用线性屈曲控制方程及非线性有限元方法，对固体发动机复合材料裙在轴压作用下的屈曲进行计算。     

基于变刚度变阻尼的柔性喷管动态模型

针对柔性接头动态迟滞曲线受控制系统控制位置精度和动态响应速度影响较大的问题,基于电液伺服机构和柔性接头变刚度变阻尼模型,构建了柔性喷管的电液伺服机构-变刚度变阻尼模型,将其和电液伺服机构-定刚度定阻尼模型进行了对比。分析了电液伺服机构主要参数、柔性接头工作参数等对电液伺服机构-柔性接头系统动态特性的影响。分析结果表明:电液伺服机构-变刚度变阻尼模型所构造的迟滞曲线可更准确地与实验结果相吻合,并符合迟滞曲线随频率变化的规律,反馈系数、放大器静态放大系数、电液伺服机构增益、滑阀流量增益等参数对系统动态特性的影响更为明显。该模型为固体火箭发动机电液伺服机构-柔性接头系统动态特性的调整提供理论依据。     

铰接桁架结构动力学问题研究

以铰接桁架结构为对象,采用谱元法研究铰对桁架结构动力学行为的影响,拓展了谱元法的应用领域。在频域下将铰结构考虑为一个谱单元,分别建立铰、杆和梁单元的动力学刚度矩阵,并加以整合得到整体结构的动力学刚度阵,进而建立整体结构的动力学方程。通过求解整体结构的动力学方程,获得结构的固有频率、频响曲线和时间响应历程曲线,并将谱元法的计算结果同有限元法的相应结果进行了比较。分析结果表明,谱元法在求解铰接桁架结构的动力学问题上具有较高的精确性,并且铰的存在对桁架结构动力学行为具有显著影响。     

固体发动机柔性喷管扩张段刚度分析

基于某发动机柔性喷管结构，用弹簧模型替代柔性接头，建立计算模型，对不同控制力作用下的柔性喷扩张段支耳的轴向和径向刚度进行了三维有元分析计算，本计算分析，对固体发动机推力向量控制有一定的参考价值。     

一种冷热交变环境下太阳帆应力保持方法

针对冷热交变环境导致太阳帆内部应力剧烈变化的问题,基于形状记忆合金(SMA)弹簧提出了太阳帆的张拉方案和薄膜应力保持恒定的方法,该方法利用形状记忆合金在高低温下的刚度非线性特性,有效补偿薄膜和支撑杆之间的间隙变化,以使薄膜内部应力基本保持恒定。针对六边形构型太阳帆开展了数值仿真,首先建立了太阳帆的热分析模型和力学分析模型,获取了高低温工况下的温度场。然后通过热致变形分析得到薄膜与支撑杆在高低温工况下的间隙变化,据此确定形状记忆合金弹簧的参数。最后对太阳帆在高低温工况下的薄膜内部应力进行了验证。     

航天器薄壳柔性附件展开耦合行为特性研究

为研究大范围运动柔性附件几何非线性和耦合效应与中心刚体的精确动力学行为,以薄壳结构柔性附件为研究对象,引入非线性应变和位移关系,利用虚功原理推导了做大范围运动带柔性附件航天机构的完整非线性动力学模型,所构建的模型包含了非线性几何变形及附加非线性项。针对线性和非线性模型,相应开展了大范围运动航天机构刚柔耦合数值分析。结果表明,随着转速增大,线性与非线性模型动力学特性产生根本差异,指出线性模型忽略了非线性耦合项的不足,而非线性模型可精确地预测大范围运动带柔性附件航天机构动力学行为。结论对航天机构定向和跟踪操作的动力学与控制具有重要的理论价值及工程实际意义。     

带有柔性补偿的柔性关节空间机器人的增广自适应控制及关节振动抑制

The problems of joint motion control and flexible vibration suppression of a flexible joint space based robot for manipulating an unknown payload are studied. Based on the system linear momentum conservation and the Lagrange method, the under actuated dynamics model of the space robot is established. For convenience of the design of its control system, the system is divided into both fast and slow subsystems by using the joint flexibility compensation technique and the singular perturbation theory. A torque differential feedback controller is proposed for the fast subsystem to suppress the joints’ flexible vibration, meanwhile an adaptive control scheme based on the augmentation approach is designed for the slow subsystem to realize the joint trajectory asymptotic tracking under the condition of unknown payload parameters. Because of introduction of the flexibility compensation technique, the presented control scheme can equivalently increase the joint stiffness, and it is suitable to control the space robot systems with low joint stiffness. Moreover, the effect of unknown parameters is real time compensated by its adaptive controller, and then the specified joint motion task is achieved precisely. The effectiveness of the scheme is verified by the corresponding simulation results.