基于PWE法的任意形状电磁晶体带隙结构分析

基于平面渡展开(PWE)法建立了分析任意形状二维方格电磁晶体带隙的教学模型.用数值分析法求解电磁晶体结构系数,并由本征方程获得了电磁晶体的带隙结构.对方形柱、复合格电磁晶体和分形电磁晶体带隙结构的分析结果表明:该法计算结果与文献一致,可用于计算任意形状的二维电磁晶体带隙结构.     

空间可展开结构热致振动分析方法研究综述

空间可展开结构在轨服役期间受冷热交变热载荷的作用会产生热致振动现象,使得结构精度下降,进而影响其工作效能,因此在结构设计与制造阶段准确地预测热导致的热-结构耦合动力学行为,并对热致振动问题加以规避是至关重要的。从上个世纪50 年代Boley 提出热致振动的概念至今,学者们不断探索新的分析方法。早期学者大多以简化的板或梁作为对象研究其热致振动机理;21 世纪后学者们开始了有限元结合数值方法研究具有显著几何非线性、运动副间隙等特点的大型空间结构热致振动问题;近年来有学者采用绝对节点坐标法建立耦合的热-结构分析模型,用于分析大转动、大变形航天结构热致振动问题。文章针对空间可展开结构热致振动这一现象,系统性地总结了从热致振动概念提出到近年来热致振动问题的研究方法,并提炼出发展中亟待解决的关键问题,为热致振动问题的进一步研究提供参考。     

基于PWE法的电磁晶体带隙结构分析

用平面波展(PWE)法计算了一维电磁晶体的带隙结构.将电场(或磁场)和介电常数以傅里叶级数展开并代入标量波动方程,获得了横电/磁波入射时一维电磁晶体的本征方程,求解得带隙结构.另用传输矩阵法求出多层介质结构的传输特性,获得带隙特性.用算例研究了介电常数比和填充率对带隙结构的影响.结果表明:PWE法可有效用于电磁晶体带隙结构的分析.     

带挠性附件三轴稳定卫星姿态动力学状态空间模型研究

对带挠性附件三轴稳定卫星姿态动力学状态空间模型建立进行了研究。用混合坐标法建立带挠性附件的卫星的动力学方程,对挠性体的高阶模态作截断处理以简化模型。用小角度近似获得了以姿态角表示的刚体卫星线性化姿态动力学方程,给出了卫星姿态动力学方程状态空间方程,将卫星的挠性附件振动耦合作用作为一种外部干扰力矩叠加到线性方程中,建立了完整的带挠性附件三轴卫星姿态动力学方程的状态空间模型。以某带单翼太阳电池板的卫星作为算例,设计了基于状态空间模型的控制器,结果表明基于状态空间模型设计的高阶线性控制器能对具非线性时变特性的卫星进行有效控制,对帆板等挠性附件的振动有主动抑制功能。     

空间太阳能电站姿态运动-结构振动耦合建模与分析

针对多旋转关节空间太阳能电站构型，利用基于能量等效原理的连续体等效方法将其等效为柔性梁模型，并考虑重力梯度影响，建立了姿态运动与结构振动的耦合动力学模型；结合Runge-Kutta 法和Newmark法的优点，提出了适用于求解姿态运动与结构振动耦合动力学方程的改进算法，相比于经典Runge-Kutta 法大幅提高了效率；利用改进算法得到了不同参数下的动力学响应。在此基础上，推导了结构振动量级随结构尺寸的六次方量级增加的规律，仿真结果表明尺寸过大引发不稳定现象；分析了姿态运动和重力梯度对结构振动频率和振幅的影响；发现了姿态运动周期受结构柔性影响而增大的现象，这种现象在低轨以及大初始姿态角下影响更为明显。     

二维展开太阳翼地面展开试验装置设计与验证

针对二维展开太阳翼地面展开过程中重力卸载较困难的情况,设计了适用于二维展开太阳翼的地面展开重力卸载装置,建立了某二维太阳翼在此地面展开试验装置上的动力学模型并进行了动力学仿真分析,分析结果表明太阳翼能够正常展开并锁定,除了太阳翼一次和二次锁定前后瞬间,其余展开过程中吊挂绳索张力最大变化量仅为7％,展开后最大变化不超过2％;该试验装置在某太阳翼上的应用结果表明太阳翼展开前后吊挂绳索吊挂力变化不超过1 N.此试验装置可为其他空间二维展开机构的地面展开试验提供参考.     

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。     

航天器外伸结构的非线性特性

针对一类板式航天器外伸结构非线性振动的特点 ,建立了合理的结构模型———悬臂板 ,并且运用双边解析法研究和分析了悬臂板非线性振动的动力学特性。该方法的关键在于两个包含三角函数和多项式组成的梁函数 ,其中一个梁函数满足一边自由、一边固定的边界条件 ,另一个梁函数满足两边自由的边界条件。然后利用分离变量法推导出了悬臂板非线性振动的动力学基本方程 ,并给出了非线性振动的幅频关系。实践证明 ,这种方法对分析航天器大型外伸结构的非线性振动特性具有重要的现实意义。     

空间大型载荷平台在轨构建技术探讨

针对以空间太阳能电站系统、超大面积SAR天线系统、大型在轨服务平台等为代表的巨型空间设施无法通过一次运载实现在轨构建的共性问题，通过对太空增材制造、可展开结构、可组装结构及单胞重复组装等四种大型结构在轨构建方法进行讨论和分析，归纳其优缺点，并提出一种包含单梁组装、单梁装填、单梁自动扩展、单梁截取、多梁组装、胞元填充等6个步骤的大型结构在轨构建新方案。研究结果表明，新方案可显著提高运载效率，提高在轨构建可靠性，此方法还可以用于超大型一维、二维、三维结构平台的在轨构建，为空间大型载荷平台的在轨建造提供参考。     

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。     

一种二维展开太阳翼的展开动力学仿真分析

在介绍一种二维展开太阳翼构型及组成的基础上,用ADAMS软件建立了二维展开太阳翼柔性动力学仿真模型,模型中为模拟太阳翼驱动装置(SADA)的保持力矩,在SADA上设置了摩擦阻力矩。仿真结果表明,二维展开太阳翼侧板在空间展开锁定不同步,由此而导致侧板锁定对SADA会产生多次冲击。此结论可为二维太阳翼的构型及其铰链设计,以及SADA在轨控制策略提供参考和借鉴。     

框架结构模态分析的行波方法

基于空间框架结构的行波动力学模型，给出获取结构模态参数的一个新方法，将由一维波导组装成的框架结构的振动作为弹性波研究。弹性波在波导上传播，在结点处反射和散射。结构的模态特性在结构呈自由振动状态时得以体现，据此建立一个关于结构内行波的特征值总理问题，并由此求得结构的固有频率及振型。文中还给出了与有限元方法结果的比较。     

一种梁板复合结构的设计

对某卫星主结构中应用的一种新型的复合材料结构形式——梁板复合结构进行了设计、分析与试验。首先通过整星分析,设计了梁板复合结构,并为其设计了试验件进行研制试验。同时,利用有限元软件PATRAN和NASTRAN建立了三种模型:二维板壳模型、三维板壳模型和三维实体模型,通过比较试验结果与分析结果,修正了分析模型,并找出了合理的分析方法。试验结果表明,设计的梁板复合结构满足了既定的强度要求。     

空间柔性臂的解耦动力学模型及其控制

提出了一种空间柔性结构通过关节电机同时实现轨迹控制和振动抑制的方法。针对单连杆空间柔性臂,采用非约束模态法建立了刚柔解耦动力学模型;提出了基于应变反馈的PID控制策略,并设计了PID／应变反馈复合控制器,同时实现对柔性臂末端运动轨迹的定位控制和弹性振动抑制控制;仿真结果验证了该控制策略的可行性。     

大型空间可展开结构热致振动研究

搭载高精度光学载荷的空间飞行器在进出地球阴影区时,飞行器上处于展开状态的太阳帆板因剧烈的温度变化会诱发振动问题。本文采用有限元法,首先对太阳帆板进行在轨进出阴影区瞬态温度求解;然后基于卫星-太阳帆板整体动力学模型,将时变温度场等效为时变热载荷加载到整星系统上,对整星系统的热致振动动力学响应进行了数值模拟。结果表明:处于地球同步轨道的卫星-帆板在进出阴影区时,太阳帆板的温度变化较大,温差最高达到200℃;时变热载荷导致帆板结构和卫星姿态发生明显的振动响应。该方法可以合理地预测大型空间可展开系统热扰动响应。     

反射面天线结构振动下的电性能分析方法

为分析反射面天线结构振动对天线电性能的影响,文章给出一种结构振动与电性能集成建模分析方法,得到从结构振动到天线电性能指向的直接近似关系式,将天线的电性能增益离散至模态空间,并与整星动力学模型结合组成天线结构振动与电性能集成模型,从而可通过求解时域振动模态坐标得到振动过程中反射面天线的电性能增益变化情况,实现卫星天线结构振动到电性能增益的动态变化仿真分析,弥补了当前电性能分析仅可针对天线单次静态结构变形展开的不足。     

空间挠性结构的Stewart平台主动基座振动控制

研究基于Stewart平台主动基座的挠性结构振动控制。首先,建立含Stewart平台主动基座的柔性梁刚柔耦合动力学模型;随后,在模态空间上分别针对挠性结构的一阶和二阶模态设计由线性扩张状态观测器(LESO)和PD控制器组成的自抗扰控制器(ADRC);最后,基于独立模态控制(IMSC)中的模态滤波器从物理坐标中提取模态坐标,建立振动主动控制实验系统,基于模态空间的自抗扰控制方法完成挠性结构的前两阶模态振动主动控制实验。研究结果表明,利用Stewart平台作为主动基座,采用自抗扰控制方法实现挠性结构的振动抑制是一种高效的振动主动控制方法,在空间振动主动控制领域具有广阔的应用前景。     

考虑压电耦合的空间充气展开结构频响特性分析

着眼于利用柔性压电元件获取空间充气展开结构的动力学特性，文章基于通用有限元软件ABAQUS，建立考虑压电耦合的空间充气展开结构频率响应分析方法，依次进行非线性充气预应力分析、模态分析和频率响应特性分析。以空间充气杆为例，分别利用有限元仿真和地面实验的方法得到其频响曲线，两者共振峰频率偏差小于2.3%，验证了充气展开结构有限元仿真方法的有效性。研究结果可为进一步分析空间充气展开结构的动力学特性和实施结构优化设计提供参考。     

UltraFlex太阳电池阵的结构优化

以提高圆形太阳电池阵的展开过程稳定性和固有频率为优化目标，以UltraFlex太阳电池阵为模型，采用有限元软件SAMCEF对其进行结构优化。以承重梁材料、斜梁开口高度、斜梁位置、梁截面高度及厚度5种结构参数为优化变量，进行了多种工况的展开动力学仿真和模态计算。经分析发现，结构展开后期太阳毯与支撑梁拉扯会导致支撑梁剪切应力激增；梁材料、斜梁位置与支撑梁截面高度对太阳电池阵的展开过程稳定性影响较大；当梁材料为碳纤维，斜梁位置为1100 mm，梁截面高度为20 mm时，展开过程稳定性最好；斜梁位置和承重梁截面厚度对结构固有频率影响较大；当斜梁位置为900 mm或1100 mm、承重梁截面厚度从3 mm增至3.5 mm时，系统固有频率涨幅最大，由此带来的质量增加可以接受。     

航天多铰接机械系统动力学的几个关键问题

阐述了航天多铰接机械系统类型及其相关的动力学建模方法。基于Dubowsky间隙的本构关系,构造了间隙铰连接数学模型,将几何约束转化为力约束,进一步建立系统的结构动力学方程和多体动力学方程,以解决系统作为机构时的展开运动分析;以及展开后,系统作为结构运行时的动力学预测。对这类系统动力学模型降阶、运动诱导刚度、控制-结构一体化设计等关键问题进行了研究。