航天器柔性多体系统动力学的高效建模方法

以航天器为工程背景,提出了一种高效建模方法。文中采用有限元离散和模态叠加法描述部件的弹性变形。用铰链相对坐标建立了相邻柔性体之间的递推运动学方程。利用递推运动学方程、柔性体的牛顿—欧拉方程和铰链的约束特性,构造了单链多体系统动力学问题的递推算法。对树状多体系统的拓扑结构进行了研究,提出了研究树状多体系统动力学问题的求解过程控制方法,从而实现了树状多体系统与链式多体系统的统一,使得对单链多体系统建立的递推动力学方程能够直接用于求解树状多体系统的动力学问题。     

带挠性附件卫星的模型化及截断

本文给出了具有中心刚体和P个挠性附件的空间飞行器姿态动力学方程式,并用约束和非约束两种模态展开,得到时域求解的状态方程式和频域中的增广姿态角对控制力矩的逆传递函数阵。推导中考虑了挠性附件对中心刚体的相对运动。本文还给出了两种模态恒等式,其中之一可用来做控制系统分析时截断高阶方程式的截断准则。     

Stability of large flexible damped spacecraft modeled as elastic continua

Vibrational stability of a large flexible, structurally damped spacecraft subject to large rigid body rotations is analysed modelling the system as an elastic continuum. Using solution of rigid body attitude motion under torque free conditions and modal analysis, the vibrational equations are reduced to ordinary differential equations with time-varying coefficients. Stability analysis is carried out using Floquet theory and Sonin-Polya theorem. The cases of spinning and non-spinning spacecraft idealized as a flexible beam plate undergoing simple structural vibration are analysed in detail. The critical damping required for stabilization is shown to be a function of the spacecraft's inertia ratio and the level of disturbance.     

跟踪与数据中继卫星柔性动力学建模

研究了大型跟踪与数据中继卫星动力学建模问题。首先结合模态综合和混合坐标方法介绍了中继卫星柔性动力学一般模型建立过程;根据工程需要重点对所建立的一般动力学模型利用模态综合进行降阶处理,给出了工程实用的低阶动力学模型和各耦合系数的计算表达式;最后通过一个工程实例对模型进行了验证。     

耦合多体系统动力响应计算

由于弹性体与刚体之间的动力耦合，使得耦合多体系统的特征值问题非自共轭，难以用经典的模态分析方法解决含有刚、弹耦合多体系统的动力响应问题。本文以某多体系统为例，建立了耦合多体系统的特征值和边值问题的增广公式，进而求得了用正交的增广特征矢量级数表示的系统对任意激励的响应。     

可变构型复合柔性结构航天器动力学建模研究

针对中心刚体加复合柔性结构类航天器采用混合坐标法和子结构模态综合法，建立了可变构型复合柔性结构航天器低阶动力学模型。获得的柔性动力学方程及其各类耦合系数矩阵，适用于全星级可变构型系统和部件级复合柔性附件系统的控制系统设计与仿真，该模型具有阶数低和工程实用的特点。     

簇状卫星姿态控制方程的通用建模方法

当前卫星通常都由一个中心刚体和其他挠性附件构成，每个挠性附件都与中心刚体直接相连，组成了一个簇状的刚柔耦合的多体系统。随着挠性附件的数目的不同，卫星系统的拓扑构型也将有所不同。即使对于同一颗卫星而言，在展开过程的不同阶段，卫星系统具有不同的拓扑构型。本文利用柔性多体系统动力学的单向递推组集方法，提出了一套通用的解决方案，以推导具有不同拓扑构型的簇状卫星的姿态控制方程，得出了姿态控制方程的系数矩阵。     

Stability of large damped flexible spacecraft with stored angular momentum

Vibrational stability of large flexible structurally damped spacecraft carrying internal angular momentum and undergoing large rigid body rotations is analysed modeling the systems as elastic continua. Initially, analytical solutions to the motion of rigid gyrostats under torque-free conditions are developed. The solutions to the gyrostats modeled as axisymmetric and triaxial spacecraft carrying three and two constant speed momentum wheels, respectively, with spin axes aligned with body principal axes are shown to be complicated. These represent extensions of solutions for simpler cases existing in the literature. Using these solutions and modal analysis, the vibrational equations are reduced to linear ordinary differential equations. Equations with periodically varying coefficients are analysed applying Floquet theory. Study of a few typical beam- and plate-like spacecraft configurations indicate that the introduction of a single reaction wheel into an axisymmetric satellite does not alter the stability criterion. However, introduction of constant speed rotors deteriorates vibrational stability. Effects of structural damping and vehicle inertia ratio are also studied.     

单翼大挠性航天器全局模态动力学建模及试验

针对小中心刚体-单侧大挠性结构构型的航天器,通过定义广义全局模态振型,提出一种全局模态动力学模型。采用统一形式描述整体刚体运动和整体挠性变形,基于哈密顿原理推导了全局模态动力学方程,结合瑞利瑞兹法推导了非约束模态频率和模态振型的计算方法。通过仿真和试验校验了全局模态动力学模型的准确性。与有限元模型对比,分析了非约束模态频率随着刚柔质量比和惯量比的变化情况,第一阶模态频率的最大误差为0.003 Hz,说明全局模态动力学模型能够比较准确地描述非约束模态频率;理论模型能够比较准确地描述动态响应,端部横向位移的最大误差为2.6%;基于气浮平台构建了试验系统,理论模型、有限元仿真和物理试验结果均比较接近,说明理论模型准确描述了非约束模态频率随刚柔耦合特性变化的规律。