Digital simulation model piezoelectric cantilever design and analysis of beam smart elements

针对在薄壳结构上层合压电传感器与作动器的智能结构系统进行振动控制问题,提出了一种专用的数字电路化智能元仿真模型进行振动特性分析的新方法.以压电悬臂梁系统为例,利用有限差分方法将主体结构、压电传感信号及压电控制力矩的动力学偏微分方程转化为智能元差分方程;建立基于Newmark-β积分方法的智能元数学矩阵模型;在DSP数字电路系统上设计智能元仿真系统;对不同差分密度和积分时间步长下系统各个模态的输出特性进行了分析,并与相关文献中采用不同控制方法的模拟电路仿真结果进行了比较,取得了更精确的结果.该方法为压电结构系统的振动特性仿真分析提供了新途径.     

压电悬臂梁智能元数字仿真模型设计及分析

针对在薄壳结构上层合压电传感器与作动器的智能结构系统进行振动控制问题,提出了一种专用的数字电路化智能元仿真模型进行振动特性分析的新方法.以压电悬臂梁系统为例,利用有限差分方法将主体结构、压电传感信号及压电控制力矩的动力学偏微分方程转化为智能元差分方程;建立基于Newmark-β积分方法的智能元数学矩阵模型;在DSP数字电路系统上设计智能元仿真系统;对不同差分密度和积分时间步长下系统各个模态的输出特性进行了分析,并与相关文献中采用不同控制方法的模拟电路仿真结果进行了比较,取得了更精确的结果.该方法为压电结构系统的振动特性仿真分析提供了新途径.     

基于PWM的气动软体空间机械臂压力控制系统

针对气动软体空间机械臂的压力控制需求，提出了基于PWM的软体臂压力控制技术。设计了气动软体空间机械臂的气动系统结构，并建立了各部分的数学模型。根据开关阀和PWM控制的特性，提出了基于零位补偿和双阀同步脉宽调制(PWM)的软体臂压力控制系统结构，并阐述了各部分设计方法。利用Python建立了整个系统的仿真模型，并将仿真结果与实验结果进行了对比，对比结果表明，模型具有一定的准确性。对该压力控制系统进行了正弦跟踪实验，实验结果表明该系统可以进行低频跟随，能够满足气动软体空间机械臂的压力控制需求。     

月球着陆器软着陆冲击仿真

为提高分析月球着陆器软着陆有效载荷着陆冲击响应的准确性,提出一种基于瞬态动力学的着陆器有效载荷软着陆冲击响应分析方法.根据着陆器全机结构柔性和月壤柔性对有效载荷着陆冲击响应的影响,参照某型着陆器,于MSC.PATRAN环境中建立着陆器全机柔性体模型及月壤柔性体模型,运用瞬态动力学仿真软件MSC.DYTRAN对着陆器软着陆有效载荷着陆冲击响应特性进行了仿真研究.仿真结果与试验结果具有一定的一致性.研究结果表明:使用该方法分析着陆器软着陆有效载荷的着陆冲击响应是准确有效的,能够比较逼真地模拟月球着陆器实际着陆工况.     

基于LuGre模型的电液加载系统摩擦补偿

为了提高电液加载系统控制精度,针对摩擦问题提出了基于LuGre摩擦模型的前馈补偿方法.建立了用于摩擦仿真分析和补偿器设计的电液加载系统数学模型;通过实验获取并分析了相关的摩擦数据;基于实验数据进行LuGre模型参数辨识,把LuGre模型和辨识结果引入电液加载系统数学模型,并进行仿真结果与实际摩擦数据的对照,证明了LuGre摩擦模型的准确性.设计前馈补偿器,进行了实验对比,实验结果表明前馈补偿器可将摩擦产生的控制误差有效地降至未补偿时的30%左右.      

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。     

力限振动试验条件设计方法

给出了一种基于复杂二自由度模型的力限振动试验条件设计方法.该方法应用动态子结构法计算试验件结构和支持结构的模态有效质量和剩余质量,根据模态有效质量在频域上的分布情况确定不同频带内振动系统的复杂二自由度模型参数,结合支持结构激励条件给出试验件与支持结构接触面的力谱和加速度谱,在此基础上进行包络,得到力限振动试验剖面.仿真结果表明,由该方法给出的力限振动试验条件,与传统加速度试验条件相比,能更加真实地反应试验件的振动环境.      

某型飞机水上迫降数值化模型

近海/跨海使用的飞机必须考核水上迫降性能,而目前飞机抗坠毁标准、设计方法和分析方法通常只考虑硬着陆情况,很少考虑水面迫降情况,这是由于水上迫降涉及多场耦合,问题十分复杂.为了简化问题,采用了解耦的方法,将仿真与试验相结合,利用MSC.PATRAN/DYTRAN软件平台,建立全机有限元模型,包括全尺寸机身、机翼和尾翼结构,并导入具体参数,对13种工况条件进行了动力学数值仿真计算.预测了飞机撞击水面过程中结构的瞬态应力分布,对飞机机身下部蒙皮进行了强度分析,表明飞机在着水过程中蒙皮不会发生损坏.      

含多裂纹结构的可靠性分析方法

为了对含多裂纹结构的可靠性进行评估,在疲劳多裂纹扩展随机模型的基础上,建立了含多裂纹结构的可靠性分析模型.结构的可靠度是控制裂纹扩展的多维随机变量落在等寿命曲面(线)与坐标面(轴)围起的范围内的概率,即多维随机变量的概率密度函数在等寿命曲面(线)与坐标面(轴)围起的范围内的积分.针对较为简单的情况,建立了完全积分可靠性模型;针对复杂结构但各条裂纹扩展特性相差不大的情况,建立了简化串联可靠性模型;针对复杂结构各条裂纹扩展特性相差较大的情况,建立了修正简化串联可靠性模型.考虑结构可靠性的粗略分析,给出了可靠度的上限值.结合多裂纹扩展随机模型给出了算例.      

基于等效梁模型的长直机翼动力学与颤振分析

针对多自由度的复杂结构,建立简化的等效结构模型,可以快速、有效地进行结构分析.采用能量等效的方法,将多自由度、结构复杂的长直结构等效为空间梁,推导得出等效梁的刚度值和惯量值,利用有限元法得到总体刚度阵和质量阵.针对某机翼模型,得出了等效梁的刚度值和惯量值,进行了振动和颤振特性分析,并分别与有限元软件的计算结果作了对比.结果表明:该等效建模法大大降低了结构自由度,振动及颤振分析误差较小,而且其主要参数值方便修改,因此该方法可用于飞行器的初级设计或结构优化设计.     

考虑斜拉索松弛的盘绕式伸展臂振动模型

盘绕式伸展臂展开后,由于预紧力的作用,横杆被压缩至弯曲状态,同时斜拉索张紧.振动幅度较大时,斜拉索会松弛.以建立一种可以描述上述情况下盘绕式伸展臂基频特性的模型为目的,针对弯曲横杆及可松弛斜拉索做了如下处理,用较小的弹性模量及相应的预应变来模拟横杆受压弯曲后刚度较小,并具有预应力的特点;用一根可拉压杆模拟两根交替松弛的斜拉索.按照上述思想将松弛前后的盘绕式伸展臂作为两种结构,分别在Ansys中建立模型,计算得到这两种结构的基频.之后将伸展臂等效为满足分段线性刚度特性的连续梁模型,其分段刚度对应斜拉索松弛前后两种结构.结合有限元模型得到的斜拉索松弛判据,建立振幅较大时盘绕式伸展臂的振动方程.使用等价线性化方法,得到盘绕式伸展臂等效频率随端部振幅的变化关系,并用Ansys的瞬态分析对上述等效频率结果进行了仿真验证.上述模型及结果可以作为盘绕式伸展臂的设计指导及振动控制的理论基础.      

结构振动主动控制系统的非概率可靠性分析

为了解决结构主动振动控制系统的可靠性问题,考虑结构参数的不确定性,研究了结构振动主动控制系统可靠性分析的非概率方法.对不确定变量用区间数或区间向量进行描述,基于区间数学,提出了含区间不确定参数的闭环控制系统响应的计算方法,在此基础之上结合非概率可靠性分析方法,建立了适用于振动控制系统的非概率可靠性分析方法.该方法无需不确定量的概率信息,只需明确参数所在区间范围即可,对开环系统和闭环控制系统的可靠性分析与基于可靠性的控制器设计具有一定的理论意义.通过数值算例,将非概率可靠性分析方法与蒙特卡洛方法进行了比较,结果表明了本文所提方法的有效性和对复杂结构振动主动控制系统的适用性.      

基于自动有限元建模的民机机翼结构布局优化

针对民用飞机中广泛采用的双梁式机翼结构,以机翼结构纵向构件(长桁)和横向构件(翼肋)的数量为参数生成机翼CAD模型,然后基于Patran的PCL(Patran Command Language)语言,根据整体模型分割、局部模型编号、局部网格控制、整体有限元生成的思路,实现了以纵向和横向构件的数量变化为基础自动进行机翼结构有限元模型的构建及分析,并将上述流程集成到机翼结构的布局优化中.最后参照某大型民用飞机的机翼外形尺寸建立了CAD模型,以机翼的静强度、刚度和蒙皮稳定性为约束,以机翼结构质量最低为目标,对上、下蒙皮长桁和翼肋数量进行了优化.优化后的布局使机翼结构质量降低了10.1%,表明了布局优化方法的有效性和可行性.     

卫星微振动液阻隔振器建模与试验研究

卫星微振动隔振器建模是进一步整星振动仿真、优化和控制的基础。针对五参数分数阶导数模型无法描述液体阻尼式卫星隔振器幅变特性的缺点,根据试验数据,分别对各位移振幅激励下的隔振器的动特性曲线进行参数识别,根据参数识别结果,对五参数分数阶导数模型进行幅值相关性修正,引入幅变因子。由仿真结果与试验结果的对比可知,引入了幅变因子的分数阶导数模型可以很好地预测隔振器的幅变特性。在提出的改进型分数阶导数模型的基础上,进行了模型参数影响分析。所提出的建模方法可为微振动隔振器的设计和分析提供参考。      

基于模糊强化学习的多柔性梁振动控制仿真

空间机械结构趋向大型化、复杂化、柔性化特点，容易导致残余振动，且残余振动频率低，振动时间长.针对多柔性梁耦合结构残余振动问题，通过有限元法建立了动力学模型，分析了振动特性，呈现密频特性，拍频特征.对于残余振动问题，结合模糊强化学习控制算法，构建模糊规则表，使用ε 贪婪法选择每条规则中的动作，进而生成最终的控制电压，与环境交互后获得回报，利用时序差分误差对状态动作价值进行反馈学习.经过训练，控制器收敛于一个模糊控制规则.仿真结果显示模糊强化学习控制器对多柔性梁残余振动快速抑制，验证了模糊强化学习控制算法的有效性.     

预载荷作用下管路结构动强度评估方法

针对现阶段航空航天管路结构环境试验存在的问题,研究了管路结构在预载荷及随机振动试验条件作用下的动强度特性的分析方法,明确了由预载荷引起的微分刚度、预应力在结构振动响应计算及疲劳寿命分析时的区别及处理方法,提供了一种可定量预估管路结构在多种试验环境作用下随机振动疲劳损伤的分析方法,该方法解决了真实环境试验条件如何表示预期使用环境的问题以及真实环境试验条件与预期使用环境不一致对管路结构动强度造成的影响如何进行评估的问题。通过对管路结构的仿真,分析了管路的动强度薄弱点以及剩余强度系数和疲劳寿命,验证了该方法的有效性,从而为分析管路结构在真实使用过程中的环境适应性以及可靠性提供了一定工程指导。      

太空发电站参数化有限元建模与设计平台

在进行太空发电站的动力学与控制研究时,由于其结构尺寸庞大,单元与节点众多,传统有限元建模方法效率极低,通常只能将其假设为刚体或刚柔耦合系统,但这种近似简化处理必然会导致真实动力学特性的缺失。因此,文章提出一种太空发电站参数化有限元建模方法并建立设计平台,旨在缩短有限元建模周期,提高太空发电站设计、分析与优化的效率。以平台式太空发电站为原型,介绍了其基本参数与有限元模型。定义了易用的有限元节点与单元编号规则并给出了参数设置过程。借助APDL、UIDL,以及TCL/TK的混合编程技术,建立了太空发电站参数化有限元模块及设计平台,利用简单的菜单及人机交互界面实现电站的参数化有限元建模,设计人员从输入参数到开始建模的前处理时间不会超过2min,提高了建模效率。     

空间望远镜用黏滞液体阻尼隔振器研究

为抑制卫星平台对天基望远镜的扰动, 需进行减振设计. 设计了一种空间望远镜用黏滞液体阻尼隔振器, 具有密封可靠、空间环境适应性好等特点. 根据流固耦合相关理论建立阻尼参数模型, 在此基础上实现了隔振器结构设计, 并对核心元件弹簧片进行参数优化设计, 加工制作出一套原理样机. 对该样机的刚度和阻尼性能进行了仿真分析和实验测试. 结果表明, 该隔振器的刚度特性和阻尼特性理论分析结果均与实验结果吻合较好, 说明模型较为准确, 具有工程设计指导价值.      

航空发动机承力结构隔振设计方法及试验

基于先进航空发动机承力框架的结构与力学特征,通过理论分析与仿真计算验证了高隔振性承力框架结构动力学设计方法。通过对承力结构刚度/质量分布及几何构形突变的优化设计,提高转子支承结构在宽频域内的机械阻抗,实现在转子工作转速范围内的高隔振性。根据承力结构刚度/质量分布对隔振性的影响,采用折返式非连续结构,设计并搭建了转子-承力框架试验系统,通过试验进一步验证了高隔振性承力框架设计方法。试验结果表明:在承力结构中采用非连续性设计可在宽频域内对不同位置支点处激励具有良好的隔振效果。      

星载大型反射面天线的刚-柔-姿控一体化在轨振动分析方法

随着大型可展开环形天线在航天器上的应用,口径越来越大,指标更加严格,卫星姿控、轨控、太阳翼驱动等导致的机械运动必然会引起大型反射面天线的振动,从而造成电性能降低,影响任务完成质量。提供了一种获取大型环形天线在轨振动影响的刚–柔–姿控一体化分析方法,建立了集扰动源、整星刚柔耦合动力学模型、姿态控制系统、天线振动影响分析的一体化仿真分析模型,实现了在典型扰动模式下的环形天线的振动响应计算、环形天线整体指向和变形计算。分析结果为天线在轨振动影响分析、性能指标预示、振动传递机理及抑制措施提供支持。