作大范围运动刚柔混合体的动力学建模与仿真

考虑耦合效应的柔性空间结构耦合动力学研究在航空航天领域具有重要的应用价值.用有限元法对柔性结构进行离散化处理,得到了柔性结构的模态阵.以模态展开方法以及Kane方程为理论基础,建立了作大范围运动刚柔混合体的动力学模型,并通过Matlab软件编写程序进行求解.为了检验该动力学模型及其程序的正确性,将Matlab仿真结果与商用软件仿真结果进行对照,进而验证了该仿真的正确性.本研究解决了中心刚体加柔性附件这一类航天器的动力学仿真问题.      

一类刚柔耦合非线性系统的动力学建模

用拉格朗日方程推导了带有大型天线的地球同步轨道卫星这一特定的刚柔耦合多体系统的动力学方程。因为考虑了星本体相对轨道坐标系的三维空间姿态运动、天线支撑臂的弹性运动以及天线对低轨道用户的跟踪指向运动 ,所得的动力学方程能更为全面地反映此类卫星的刚体运动与弹性体运动之间的耦合及其真实的动力学行为。根据此方程可以推出不同情况的简化方程。当需要对原系统进行振动分析时 ,可选用相应的简化结果 ,而不必重新进行繁琐的推导。该文所介绍的方法同样适用于一般刚柔耦合系统的动力学分析     

模块化桁架索网天线找形与展开动力学研究

为了对单模块桁架索网天线展开动力学进行建模,首先,基于力密度法提出一种考虑桁架弹性变形的索网找形方法:渐近迭代力密度法;其次,基于绝对节点坐标法建立桁架刚柔耦合模型,采用等几何分析方法建立索网非线性有限元模型,进而根据第一类拉格朗日方程建立天线刚柔耦合系统动力学方程,并采用广义–α方法对动力学方程进行高效数值积分;最后,对桁架索网天线展开过程的动力学特性进行了研究和分析。研究结果表明:索网找形方案满足天线反射面形面精度要求,得到均匀的索段张力分布;展开过程中桁架竖杆应力最大,在展开末段,驱动滑块对桁架产生较大冲击。     

一种柔性空间机械臂的刚体运动和柔性振动复合控制方法

针对柔性空间机械臂的刚体运动控制和柔性体振动抑制问题,给出了一种反馈和前馈复合控制方法.对于一个柔性双连杆机械臂,首先设计反馈线性化控制器,消除非线性影响,实现大范围的刚体运动控制.其次基于闭环回路响应的振动特性,设计输入成型前馈控制器,预成型控制命令,抑制对结构振动影响显著的某些模态响应.最后仿真结果证实了给出的反馈线性化和输入成型复合控制方法,可以实现精确的位置控制,同时机械臂的残余振动得到了有效的抑制.     

高超声速飞行器刚体／弹性体耦合动力学建模

高超声速飞行器广泛采用升力体、乘波体等气动布局和轻质复合材料、薄壁结构等,导致结构振动与刚体运动频率非常接近,给飞行器制导控制系统设计带来了巨大挑战.针对该类飞行器的特点,考虑结构的横向位移,将机身前后体简化为于质心处固联的2根悬臂梁,并从统一的能量观点出发,基于拉格朗日方程与虚功原理,在纵向平面推导出适合高超声速飞行器的刚体/弹性体耦合动力学模型.通过对比耦合模型与传统刚体模型的极点分布情况,发现结构振动与刚体短周期模态紧密耦合,离心力的引入影响了高度与长周期模态,对高超声速飞行器航迹运动的作用不可忽视.最后分析了飞行速度与结构阻尼变化对耦合模型动态性能的影响.结果证明飞行速度对刚体运动模态影响显著,而结构阻尼的变化主要改变弹性模态.     

复杂动力学模型下星载天线跟瞄控制技术研究

针对星载天线动力学复杂这一问题,从天线系统刚柔耦合动力学建模、指向跟踪控制以及振动抑制等方面研究了柔性星载运动部件的指向控制方法。首先,通过描述系统几何拓扑关系建立系统运动学方程,从而简化动力学建模过程;之后,利用假设模态法,对天线反射面挠性进行建模;最后,将拉格朗日方程与挠性关节模型相结合,从而建立了星载天线非线性刚柔耦合动力学模型。在以上复杂动力学建模的基础上,采用分层设计的思路进行了控制策略设计：先运用基于计算力矩法的滑模控制器得到不考虑挠性关节的耦合控制律,从而保证卫星基体的稳定性以及天线挠性反射面的振动抑制;再使用反步法对挠性关节进行控制,实现对天线反射面的指向精度控制。最后,讨论了动力学参数不确定性对系统跟踪指向控制的影响并采用数学仿真的方式验证了相关动力学模型与控制算法。仿真结果表明该方法能较好地实现对星载天线的指向跟踪控制以及振动抑制,提高星载天线的动态指向精度。     

大型空间可展薄膜结构动力学仿真分析

相对于传统的航天器平面刚性天线结构，柔性可展薄膜结构因其质量轻、收拢体积小等优点成为大型天线的重要发展方向，特别是在天基合成孔径雷达（SAR）天线高分辨率对地观测技术领域具有广阔的应用前景.为掌握其在轨结构动力学特性，基于温度-结构预应力导入方法建立了大型空间可展薄膜结构的动力学模型，分析了可展薄膜结构的动力学性能参数，同时基于建立的动力学模型开展了可展薄膜结构的优化设计研究，得到主要设计参数对可展薄膜结构动力学性能参数的影响权重，为其工程化实施奠定了理论研究基础.      

一种柔性空间双臂机器人的协同控制和避障方法

针对柔性空间机械臂在轨服务应用需求，提出一种基于刚体运动与柔性振动相耦合的空间双臂机器人协同控制方法.首先引入空间位姿变量的概念，构造出面向协同控制目标的Jacobian矩阵，建立柔性空间机器人系统的刚柔耦合动力学模型，基于指定的最小距离得到其运动学逆解，并根据系统动量矩守恒关系及系统的Jacobian矩阵，并根据机械臂末端的运动速度,然后采用阻尼最小二乘法得出关节角度，使柔性空间机器人能够有效完成协同控制和空间避障任务，并基于RecurDyn V7R5软件环境验证算法的正确性.最后，基于SolidWorks和ADAMS虚拟样机建立柔性空间机器人系统的立体CAD模型，并结合空间在轨搬运任务进行模拟仿真，柔性空间机器人关节操作和运动轨迹的仿真结果图验证了本文算法的有效性.     

空间充气薄膜衍射成像结构的热力耦合分析

随着空间光学技术的发展,衍射成像系统成为空间光学领域的研究热点。提出了一种充气薄膜衍射成像结构设计方案,针对其在空间热载荷作用下的热力耦合效应开展研究。建立了充气薄膜衍射成像结构的热力耦合顺序分析框架,基于I DEAS和ANSYS软件二次开发技术,实现了热力耦合数值分析,得到了结构在轨运行时的瞬态温度场、热应力、热变形等。分析结果表明,充气支撑结构产生了较大热变形,但最大热应力远小于聚酰亚胺薄膜材料的抗拉强度,而镜面中心处没有出现较大的热变形响应,为充气薄膜衍射成像结构的防热设计提供了技术支持。     

挠性多体卫星星间跟踪天线回扫运动研究

针对耦合影响较严重的天线回扫过程展开研究.首先,将柔性支撑杆等效简化为悬臂梁结构,并基于拉格朗日方程建立多体耦合动力学模型.然后从耦合动力学模型出发,分析天线回扫运动对星体姿态稳定和柔性振动的影响,并根据分析结果引入命令预处理算法,规划天线回扫指令.最后对天线回扫运动进行仿真分析,仿真结果表明命令预处理算法能够有效地减小回扫运动对星体姿态稳定和柔性振动的影响.     

卫星太阳电池阵的刚-柔耦合动力学

研究了卫星太阳电池阵在多点撞击过程中的刚-柔耦合动力学问题．基于Jourdain速度变分原理和单向递推组集方法，建立了柔性多体系统的动力学模型．用Hertz撞击法则建立了撞击力和撞击处的局部变形关系，分别用刚体模型和柔性体模型仿真计算了太阳电池阵的撞击力、撞击时间，揭示了变形运动和大范围运动的相互耦合作用．     

基于谐波平衡法的微振动被动控制动力学研究

为了探究航天器被动隔振系统参数对隔振效果的影响,用变形的三次多项式函数描述粘弹性隔振器的非线性刚度,用分数导数阶算子表征隔振器的阻尼特性,建立了微重力状态下被动隔振系统非线性动力学模型,用谐波平衡法对动力学微分方程进行求解,计算隔振系统的振动传递率,然后探讨了隔振器以及隔振对象的刚度、阻尼、质量对隔振效果的影响。研究结果表明,隔振器非线性阻尼项对系统隔振效果影响很大,被隔振对象的质量对隔振系统共振峰值的影响与非线性阻尼系数的大小密切相关。     

高超声速飞行器平稳滑翔弹道设计方法

针对已知攻角和倾侧角的高超声速飞行器平衡滑翔再入问题,提出了满足纵向加速度变化率最小的平稳滑翔弹道概念,并给出了平稳滑翔弹道设计方法.首先采用正则摄动的方法对高度动态微分方程进行求解,获得了精度较高的平稳滑翔高度、弹道倾角和纵向加速度解析解.然后对平稳滑翔弹道的动态特性进行了分析,结果表明该弹道具有自然稳定性和弱阻尼性.进一步给出了弹道振荡的自然频率和阻尼表达式,其中自然频率仅与速度相关,而阻尼则与速度和纵向升阻比相关.最后,通过比较高度偏差的比例反馈、微分反馈和比例+微分反馈3种方案,得出纯微分反馈是实现平稳滑翔的最佳方案,并给出了定阻尼微分反馈系数的表达式.仿真校验表明:该方案具有控制平滑、弹道振荡收敛速度快及鲁棒性好等特点.      

Modeling and analysis of floating performances of stratospheric semi-rigid airships

In recent years, the study of semi-rigid airship has revived with the development of airships. Semi-rigid airships have some characteristics of rigid airships and non-rigid airships. Due to the flexibility of the envelope of the non-rigid airship, the variation of the temperature of the inner gas will lead to its structure deformation and affect its flight altitude. This paper develops the structural mechanics model, thermodynamic model and dynamic model of the semi-rigid airship, based on which nonlinear finite element analysis is employed for geometrically nonlinear deformation of the airship upper film in consideration of thermodynamics and structural mechanics coupling. Based on the thermal-structural interaction, the thermal characteristics and flight performances of the airship during floating flight are investigated. The 3-D solar radiation and temperature distribution of the airship skin and the temperature variation of the inner gas are presented to investigate the thermal performance of the airship, flight velocity, acceleration and flight altitude are simulated to investigate the flight performance, and the variations of the volume and pressure difference of the inner gas are calculated to provide a basis for structure design. The results of the simulation can be referenced for the design of the semi-rigid airship, and can be used for the further study on the attitude control of the airship during its floating flight.     

变体航行器动力学建模与仿真

针对部分变体航行器变体描述复杂、存在刚体与柔性体耦合导致动力学模型复杂的问题，推导了一种具有普遍适用性的变体航行器动力学方程。将航行器视为由质点组成的整体，建立每个质点的运动微分方程。采用积分思想得到了适用于变体航行器的动力学扩展方程，其中，航行器变体产生的影响可以用附加力与附加力矩描述。对一种具有柔性翼的共形半环翼变体航行器进行了纵向面内开环运动仿真。针对部分附加力与附加力矩难以准确计算的问题，提出了一种便于工程化快速计算的方法，分析了不同变体速率下航行器的动力学响应和附加力、附加力矩的影响。结果表明，附加力和附加力矩与变体速率正相关。      

空间机械臂间隙影响分析

摘要： 为考察关节间隙和柔度对机械臂动力学行为的影响,分别建立平面二自由度和空间7自由度的机械臂刚柔耦合模型,应用ADAMS 软件采用间隙铰非线性弹簧阻尼模型,考虑臂杆柔度和间隙对动力学性能的影响,对两种机构进行动力学仿真分析.分析结果表明：臂杆柔度对位移影响较小,但角速度、角加速度曲线随柔度增加波动显著增大;由于间隙的存在,关节碰撞导致机械臂运动精度、角速度与角加速度随间隙显著增大.     

带柔性附件的中心刚体的频率特性及实验研究

从力学基本原理出发，利用有限元方法建立了由中心刚体和柔性梁组成的这类卫星－帆板模型的动力学方程，研究了该系统的刚－柔耦合频率特性，详细讨论了刚柔刚度比K′和刚柔惯量比J′对系统的频率的影响，同时利用气溪台动力学全物理仿真测试实验平台，对该刚柔耦合系统进行了动力学测试，验证了理论模型及分析的正确性，理论研究和实验结果均表明，不同的K′和J′对系统的频率有较大的影响，并且系统的主导频率会发生转移，这些为卫星等航天器的设计提供了一定的依据。