非线性动力学理论及其在机械系统中应用的若干进展

非线性动力学的理论及其工程应用是非线性科学研究的前沿和热点，应用非线性动力学的理论揭示事物动态过程现象的本质和机理，进行自主性原始创新，具有十分重大的理论和应用价值，在科学与工程中具有广阔的应用前景。综述非线性动力学基础理论方面的近期研究成果及其在机械系统中应用的研究进展。理论研究方面主要涉及揭示非线性动力系统周期分岔解与系统结构参数之间关系的C—L方法、高余维分岔的普适分类、高余维非对称分岔的普适开折、约束分岔的分类、计算非线性自治系统正规形的直接方法、计算非线性非自治系统正规形的复内积平均法以及高维非线性系统的降维方法等。应用方面主要涉及大型旋转机械非线性转子系统的失稳机理、分岔解与混沌运动、故障诊断及其综合治理技术；冲击振动机械的稳定性、Hopf分岔、亚谐分岔、余维二分岔和混沌运动；大型共振筛的非线性振动及其动力学设计方法等。     

单通道控制的旋转弹锥形运动稳定性研究

锥形运动是旋转弹角运动的基本形式,其稳定性问题一直是旋转弹领域的研究热点。以一对鸭舵作用下的单通道控制旋转弹为研究对象,给出了弹体坐标系下的线性化角运动模型,通过数值仿真,揭示了一对鸭舵带来的气动不对称对其角运动特性的影响规律。利用劳斯判据,给出了解析形式的锥形运动稳定条件,该条件可等效为锥形运动稳定条件下的转速范围,不同转速下的仿真结果证明了该稳定条件的正确性。在相同的转速条件下,正弦式鸭舵的控制频率在慢模态衰减频率附近时,可诱发强烈的共振不稳定。研究结果可为一对鸭舵作用下的旋转弹总体设计及制导控制系统设计提供参考。     

一类挠性多体航天器快速大角度机动的动力学与控制

研究一类挠性多体航天器快速大角度机动的动力学与控制问题。考虑构形为“刚性主体 绕性梁 刚性端质量”的航天器，并假定它在一平面内作大角度旋转运动，本文利用Hamilton原理，建立了系统的非线性无穷维动力学模型，在只可测量刚性主体旋转角及其速率的情况下，设计了一种线性反馈控制方案，并证明了相应的闭环系统的渐近稳定性。     

空间站大型伸展机构的运动稳定性分析

从空间站大型伸展机构的运动特点和系统动力学方程出发，着重分析了该系统的稳定性判据。这一问题又可分为五个方面：姿态-伸展-振动耦合系统的分析方法，复杂大系统的分解集结方法，时滞系统和滞后系统的稳定性问题，Stick-Ship运动对系统对系统稳定性的影响，非线性非定常系数稳定性的一般解。其中还对接触、摩擦、碰撞问题，变拓扑系统，非光滑动力学系统等进行了专门的研究，分析了Lyapunov指数方法在这些特殊系统中的适应性。本文对空间站大型伸展机构的稳定性问题进行了较全面的分析，指出了目前在处理这类复杂大系统时存在的一些难点问题，为其设计和研制工作提出了理论基础。     

滚转偏转头导弹动态特性分析

基于复角模型,研究了弹头偏转对于偏转头导弹飞行稳定性和操纵性的影响。依据偏转头导弹的多体特点,建立了包含弹头和弹体动力学特征的滚转偏转头导弹多体动力学模型,通过模型简化,得出了其复角模型。以弹头偏角作为输入,攻角和侧滑角作为输出,得出了滚转偏转头导弹的传递函数。分析传递函数发现,弹头偏转主要影响了导弹传递函数的零点,文中给出了满足系统最小相位的条件公式;当弹体绕纵轴逆时针旋转时（由弹尾向前看）,导弹模型总为最小相位系统;定性分析了气动参数对于导弹运动稳定性的影响,得出弹头偏转运动对于飞行稳定性没有直接影响的结论;动力学仿真表明,弹头与弹体相互作用,导致两者产生相反的角运动。本研究表明,通过合理的选择气动和结构参数,并使导弹飞行过程中绕纵轴逆时针旋转,可以保证偏转头滚转导弹飞行过程中的运动稳定性,并有利于自动驾驶仪的设计。     

变化风场下近空间飞行器机体/发动机一体化飞行力学建模与分析

近空间飞行器飞行包络大、环境变化复杂、参数变化激烈,对其开展飞行控制技术研究工作的首要问题是对此复杂系统基本物理规律准确把握和描述,并依此建立其机理运动模型。针对机体/发动机一体化设计的近空间飞行器,系统地进行了飞行力学分析,并推导了变化风场下近空间飞行器在高超声速条件下的完整的6-自由度12-状态的动力学方程和运动学方程,体现出变化风场的影响和推力矢量的作用。随后,对其在不同条件下的开环控制特性进行了仿真研究,直观表现了系统的快时变、强耦合、强非线性和不确定性等特点。所得结果可用于未来高超声速飞行器轨迹管理、飞行控制等问题的概念设计和仿真研究。     

卫星编队飞行的无速度测量非线性鲁棒控制

本文基于带有界干扰的线性动力学模型，研究了卫星编队飞行中的相对位置控制问题。首先，在线性二次型最优控制的基础上，设计了一种非线性控制律，并使用李雅普诺夫稳定性理论证明了系统的稳定性。接着，通过对线性系统状态观测器进行改进，得到了一种非线性速度观测器，观测误差被证明是渐近收敛的。观测器与控制律的结合实现了无速度测量的控制，闭环系统被证明是渐近稳定的。文末的数值仿真验证了理论分析。     

挠性航天器旋转机动的变结构控制

本文研究在控制器能量受限条件下，一类挠性航天器旋转机动的控制问题。考虑刚性主体上带有挠性粱的航天器，并假定它在一平面内作旋转运动。本文针对航天控制工程中执行机构的工作模式，基于系统的无穷维模型，设计了简单易行的变结构控制方案，并证明了相应的闭环系统的渐近稳定性。数值仿真和物理实验结果显示了所设计的控制算法的有效性。     

带柔性伸缩附件航天器几何非线性振动稳定性

研究由中心刚体和可伸缩柔性附件组成的非线性刚柔耦合系统，不同于大多数文献只研究柔性附件的横向弯曲变形对系统动态特性的影响，同时考虑了柔性附件的拉伸变形、截面转角变化同弯曲变形的相互耦合作用，并且以非线性几何关系作为基本出发点，建立了伸缩运动同柔性变形、姿态运动之间的非线性耦合动力学模型，然后基于能量积分和动量矩积分构造首次积分，分析了非线性耦合系统的运动稳定性。     

水平横向激励圆柱贮箱中液体的非平面运动

利用多维模态理论分析了受水平横向激励圆柱贮箱中液体的非线性晃动问题。首先求出描述液体非线性晃动的模态系统的稳态周期解,然后应用Floquet\|Lyapunov方法研究了周期解的稳定性,从而可以从理论上找到液体发生非平面的“旋转”运动时的频率范围。最后通过对液体晃动力的计算,发现其具有明显的“旋转”特征,可用于指导工程实际。     

超声速气流下黏弹性夹层壁板非线性颤振分析

基于Kelvin-Voigt黏弹性本构模型、von-Karmen薄板大变形理论和三阶气动力活塞理论建立了三维黏弹性夹层壁板的气动弹性颤振方程。使用Galerkin截断方法,对超声速气流下,四边简支黏弹性夹层壁板颤振的非线性特性进行了研究。对于非线性一阶截断方程,研究了它的平衡点及稳定性随来流速度的变化情况,得到了系统发生静态分叉时的临界速度;对于非线性二阶截断方程,使用数值仿真分析方法,得到了系统发生Hopf分叉时的临界速度,并利用响应、相图等手段研究得到黏弹性夹层板随来流速度变化的动力学特性。     

一类具有阶段结构的SIRS传染病模型的定性分析

本文考虑了一类具有阶段结构和非线性传染率的SIRS传染病模型。通过考虑因病死亡,人口的输入和输出,出生率、自然死亡率,免疫周期等因素,分析了系统解的正性和有界性,进一步给出了系统一定条件下个平衡点的稳定性和分支情况分析。最后使用规范型和中心流形理论给出了决定Hopf分支方向和分支周期解稳定性的隐式算法。     

一类具有阶段结构的SIRS传染病模型的定性分析

本文考虑了一类具有阶段结构和非线性传染率的SIRS传染病模型。通过考虑因病死亡,人口的输入和输出,出生率、自然死亡率,免疫周期等因素,分析了系统解的正性和有界性,进一步给出了系统一定条件下个平衡点的稳定性和分支情况分析。最后使用规范型和中心流形理论给出了决定Hopf分支方向和分支周期解稳定性的隐式算法。     

再入弹头非对称气动力研究

本文通过六自由度弹道方程数值模拟了再入弹头非对称气动力和非对称静、动导数对弹头滚转异常的影响;阐述了非对称气动力及非对称静、动导数产生的机理。本文利用作者建立的近似计算和数值计算方法,计算了典型的非对称再入弹头的气动力,定性分析了非对称气动力随弹头几何参数的变化规律,对再入弹头设计有重要的参考价值。     

TETHERED SATELLITE SYSTEM ANALYSIS (1) — TWO-DIMENSIONAL CASE AND REGULAR DYNAMICS

The study on tethered satellite system (TSS) in two-dimensional in-planar motion is restricted in that the tether is assumed to be massless. The equations of motion are given in a spherical coordinate system to describe the magnitude (tether length) and direction angle of the position vector between the satellites. A length rate control algorithm is adopted, and the controlled motion of the directional angle by the algorithm will have a stable equilibrium state. The equilibrium state is a fixed point if the orbit of the base-satellite is circular, and a limit cycle if the orbit is elliptic. The value and stability of the equilibrium state are determined by the parameters of the control algorithm, and the bifurcation analysis is also given. Two typical TSS missions have been simulated.     

绳系卫星系统中的周期运动

在椭圆轨道上飞行的绳系卫星系统的重要特征是系绳的方向角具有周期性运动，称为驻环。不稳定的驻环导致全系统的不稳定性。本文给出系统运动的数学模型、距离速率控制方法、求解驻环的数值迭代算法、驻环的稳定性和吸引域以及控制参数平面上驻环存在的区界和计算机仿真结果     

Bifurcation Regime of a Synchronous Resonance in the Translational–Rotational Motion of Nonspherical Natural Satellites of Planets

Period-doubling bifurcations of the synchronous spin-orbit resonance in the motion of a nonspherical natural planetary satellite along the elliptic orbit are studied. The satellite spin axis is assumed to coincide with the axis of its largest principal moment of inertia and is perpendicular to the orbital plane. The period-doubling bifurcations take place when the value of satellite's dynamical asymmetry parameter falls in the parametric resonance domain. Theoretical dependences of the amplitude of the bifurcation oscillations of a satellite at the pericenter of its orbit upon the eccentricity and dynamical asymmetry parameter are investigated. Three different methods of calculating the amplitude of bifurcation oscillations are presented and compared. These theoretical estimates can be used to predict the opportunity to observe the bifurcation regime. The possibility of the occurrence of the bifurcation regime in the motion of natural planetary satellites is studied. It is concluded that the bifurcation regime is possible in the motion of Deimos, Epimetheus, Helen, Pandora, and Phobos. Phobos is the most probable candidate for finding the bifurcation regime of a synchronous rotation. The identification of such a regime would allow one to impose stringent constraints on the values of the inertial parameters of the satellite observed.     

物体—双伞系统运动方程与稳定性判据

利用刚体－双刚体模型给出了物体－双伞系统的运动方程与一种简化模式，并按运动稳定性分析的原理求得了该系统的稳定性判据。     

Dynamics of a gyrostat satellite with the vector of gyrostatic moment in the principal plane of inertia

Dynamics of a gyrostat satellite moving along a circular orbit in a central Newtonian field of force is investigated. In a particular case, when the gyrostatic moment vector lies in one of the satellite’s principal central planes of inertia, all positions of equilibrium are determined, and the conditions of their existence are analyzed. Also determined are bifurcation values of dimensionless parameters, at which the number of equilibrium positions changes. As a result of analysis of the generalized energy integral, for each equilibrium orientation the sufficient conditions of stability are derived. Evolution of the regions where the sufficient conditions of stability are valid is investigated under variation of the system’s dimensionless parameters.