点式连接航天器等效刚度模态分析方法

针对点式连接航天器受接触影响而产生的非线性特性,提出了利用线性等效刚度代替非线性刚度以计算点式连接航天器模态的分析方法。首先采用有限元软件对点式连接航天器的非线性刚度进行分析,并基于非线性振动和结构动力学的原理,建立了等效刚度的计算方法。将等效刚度代入广义弹簧单元,最终获得点式连接航天器的简化模型并分析其模态。模态分析结果与试验结果对比显示,相比于传统分析方法,基于等效刚度的简化模型精确地预测了点式连接航天器的模态,有利于提高点式连接航天器的动力学仿真分析精度。     

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。     

基于接触理论的一类带锁定机构的间隙铰链分析模型研究

重点研究一类在我国航天器上得到广泛应用的带有锁定机构的间隙铰链，基于接触理论建立了该类型间隙铰链的分析模型。首先，将铰链零件间的接触力假设为单向的非线性弹簧，并将铰链简化为由非线性弹簧组约束的摆；然后。将展开扭簧假设为线性力矩弹簧，得到包含间隙影响的铰链的力矩-转角关系曲线。通过仿真分析和试验验证，认为铰链的力矩转角关系曲线是分段光滑的。是铰链结构尺寸、零件间隙以及材料特性的函数。呈现出明显的非线性特征。     

控制受限的挠性航天器姿态机动自适应变结构输出反馈控制

针对挠性航天器飞轮输出力矩受限情况下的姿态机动问题，提出了一种仅利用输出信息的自适应变结构输出反馈控制方法。在基于非线性和低阶模态的动力学模型基础上，给出了滑模存在条件以及自适应变结构输出反馈控制器设计的方法，并采用Lyapunov方法分析了滑动模态的存在性及稳定性。最后，将本文提出的控制方法应用于挠性航天器的姿态机动控制，并与传统的控制方法进行比较。数值仿真研究：在反作用飞轮的控制受限条件下，完成姿态机动的同时，有效地抑制挠性附件的振动；此方法具有设计简单、易于实现和鲁棒性好等特点。     

基于随机振动响应的结构非线性参数识别

复合材料结构呈现出典型的量级非线性特征,非线性刚度的研究是结构设计和分析的基础。结构使用环境多数存在随机振动载荷,在更接近真实使用环境下对非线性参数的识别结果更加适用。文章提出了基于随机减量法和连续小波变换的非线性参数识别方法,设计了基于随机振动响应的非线性刚度识别程序;通过立方刚度单自由度非线性系统算例,验证了识别方法和程序;并通过试验研究了典型复合材料结构的量级非线性特征。结果表明,基于随机减量法和连续小波变换的非线性参数识别方法具有较好的识别精度,多自由度系统不同谐振阶次的非线性特性存在差别。研究结论对于随机振动环境下结构非线性参数识别和建模具有一定的参考价值。     

考虑前屈曲几何非线性影响的结构稳定性分析

本文采用有限元法分析考虑前屈曲几何非线性影响的结构稳定性。应用伴有线性搜索和各种牛顿型解法的组合弧长法可以顺利地描述包含有极值点的载荷一位移曲线,与此同时,若在加载点处计算结构刚度矩阵的行列式值、临界载荷因子和特性刚度参数等值,则可根据稳定准则,通过插值确定临界点的位置。从而为研究复杂结构稳定性提供简便而有效的方法。     

结构局部刚度变化对小卫星动特性影响

首先针对模块式小卫星动特性进行灵敏度理论分析，分析目标是寻找提高结构动特性的局部位置和参数。然后基于有限元法分析改变局部刚度对结构动特性的影响。小卫星结构动特性分析计算的主要问题是建立计算成本可控的有限元模型，本文详细讨论了小卫星有限元模型建模方法和简化途径，并通过7个算例考察改变模块底板局部刚度、改变适配器支撑刚度、模块问设置弹簧模拟阻尼器等对小卫星结构动特性的影响。灵敏度分析和计算表明，影响动特性的主要因素是模块盒底板刚度和星箭适配器的支撑刚度；增加模块局部刚度以及适配器支撑刚度可以屏蔽星体摆动和包带联结部位的某些频率，同时可以减缓部分中间模块的振幅；在部分模块间设置弹簧可以模拟阻尼器或减振器的效果。另一方面，降低适配器刚度可以增加隔振作用。因而优化模块刚度分布和支撑刚度分布是改进动力学性能的有效途径。本文分析为模块式小卫星动力学修改以及多功能结构设计和主动振动设计提供依据。     

多变量线性时变系统的特征模型及自适应模糊控制方法

对于阶数及参数未知的高阶系统，如何设计一个工程上易于实现的低阶控制器，以实现有效的高性能控制，这是目前航天等领域亟待解决的问题。该文采用将对象特征和控制性能要求相结合的方法，对多输入一多输出高阶线性时变系统和一类非线性时变系统从理论上详细推导出了其特征模型，在此基础上设计了基于特征模型的稳定的自适应模糊广义预测控制方案。由于控制结构中使用了分层模糊系统，从而减少了模糊规则数目。通过对一个挠性航天器控制的仿真实验验证了所给方法的有效性。     

基于鲁棒滑模观测器的高超声速飞行器双环滑模控制

针对高超声速飞行器非线性动力学系统中存在的高度非线性、多变量耦合及参数不确定等问题,设计了一种基于鲁棒滑模观测器的双环滑模控制方法。该方法首先利用设计的鲁棒滑模观测器在线估计系统的不确定性及未知干扰,在此基础上,通过设计滑模变结构控制器来实现对不确定性的抑制控制,从而实现对制导指令的鲁棒输出跟踪。仿真结果验证了该方法能较理想地估计干扰,保证系统良好的鲁棒性。     

基于反馈线性化和变结构控制的飞行器姿态控制系统设计

在大姿态角的情况下，飞行器姿态运动的非线性因素和耦合因素不容忽略，使得传统的基于小扰动假设的近似线性化处理方法面临难以克服的困难。本文首先运用反馈线性化方法，将飞行器姿态通道线性化解耦成三个单输入单输出系统，然后运用分散滑动模态变结构控制理论对每个通道分别设计变结构控制器，以期使系统获得对参数摄动和外部扰动的鲁棒性。理论研究和数值仿真表明，所设计的控制系统可以适用于飞行器大姿态角飞行的情况，并对系统参数摄动和外部扰动具有较强的鲁棒性。     

压剪联合载荷作用下复合材料壁板屈曲及后屈曲性能计算与优化方法研究

复合材料壁板被广泛用于航空航天结构,在外部复杂工况下壁板通常会受到面内压剪载荷的联合作用,其屈曲及后屈曲响应直接影响此类结构的极限承载能力。为此,基于改进的Koiter摄动理论,提出一种能够快速精确地开展复合材料壁板非线性屈曲分析的摄动有限元降阶方法,然后计算获得壁板的屈曲/后屈曲性能指标,即非线性屈曲载荷、后屈曲承载刚度以及承载刚度残余系数,最后将摄动降阶方法嵌套到复合材料铺层优化的分析流程中,获得压剪联合载荷下各种屈曲/后屈曲性能指标的最优铺层信息。数值算例验证了所提出方法的高效性和有效性。     

一种浮动锁销式柔性气浮组件的承载特性测试及分析

为在空间机构产品集成与测试中合理使用气浮组件,采用刚度试验台模拟加载的方案对一种浮动锁销式柔性气浮组件的承载特性进行测试。试验结果表明:浮动锁销式柔性气浮组件在未预压缩状态下,承载特性近似为线性弹簧压缩模型;在预压缩状态下,初始承载特性近似为刚体,承载力超过气浮组件的保持力后承载特性近似为线性弹簧压缩模型。因此,为避免气浮组件在承载过程中表现出的作用力与位移变化等特性对空间机构产品的运动特性、系统性能造成显著的附加影响,气浮组件在使用前应根据产品重力调节弹簧预压缩量,并严格控制4组可调弹簧支撑组件的制造误差;同时,在产品重力完全被卸载之前需要借助压紧释放机构或刚性支撑工装对产品进行约束。     

扭簧应力松弛及冲击特性试验研究

扭簧具有受外力约束变形后储能并在去除约束后反弹的特性，使其在航天任务中多作为无源动力元件加以使用，由于航天器的特殊应用背景，应力松弛和冲击破坏是航天用扭簧的主要失效形式。通过自行研制的扭簧应力松弛特性和冲击特性测试的试验装置，针对若干结构尺寸的扭簧，进行了不同怠位扭转角条件下的应力松弛特性试验和不同冲击行程及冲击负载条件下的冲击特性试验，并采用最小二乘法对试验结果进行了拟合。通过以上工作获得了扭簧应力松弛的一般规律、怠位扭转角对扭簧应力松弛特性的影响规律、冲击行程和冲击负载对扭簧冲击特性的影响规律及扭簧扭转刚度对扭簧应力松弛和冲击特性的影响规律，为扭簧可靠性分析和工程设计提供了直接的试验数据。     

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.     

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。     

基于非线性有限元的网套补偿器轴向刚度特性及计算方法研究

网套补偿器在航天管路系统中广泛使用,补偿器的轴向刚度是其基本力学参数,然而其复杂的微结构特征使得轴向刚度呈现强烈的非线性。为实现对网套补偿器轴向拉伸全过程的仿真计算,从钢丝网套入手,基于钢丝的螺旋梁模型,分析了轴向长度、螺旋角及网套直径对轴向刚度的影响,结果表明轴向长度和螺旋角将显著影响轴向刚度;分析了边界条件的影响,结果表明在计算轴向刚度时固定边界与约束径向位移的循环边界可以互换。结合网套刚度分析的结论,提出了基于接触关系的子网套刚度分析方法,解释了拉伸时轴向刚度非线性变化原因,进一步建立了2/N波纹管-螺旋梁复合模型以及2/N单波-单锭螺旋梁复合模型用于不同刚度阶段的有限元计算。算例结果表明,仿真获得的力-位移曲线与试验曲线一致性较好,高刚度阶段的轴向刚度误差为3.40%。     

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。