面向控制的变构型航天器柔性耦合动力学建模与仿真

对于带有大型可展开天线的通信卫星,其天线展开期间全星属于典型的变结构、变构型、变参数和变质心系统。该文采用加载模态综合-混合坐标法建立了这类星载天线展开过程各类运动工况的天线和整星两级控制的柔性耦合动力学方程,以及任意构型工况的全星柔性模型,通过典型算例仿真及惯性完备性检验,表明该文研究工作具有工程实用性和有效性。     

基于区间与概率的星载网状天线展开可靠性分析

针对大型星载网状天线展开过程的特点,该文采用区间与概率混合可靠性分析方法对星载网状天线的展开过程可靠性进行了分析和评估。首先,建立了星载网状天线的展开失效树模型,并对失效树模型中各底事件进行了归类;其次,将关键底事件中所涉及到的不确定量视其特点描述为随机变量或区间变量,并利用混合可靠性模型分析方法获得了相应底事件的失效概率;再者,制作了2 m口径试验天线与典型试验展开机构样件,通过试验获得了天线展开过程中伸缩杆滑动的失效概率,进而得到了星载网状天线总的展开失效概率和展开可靠度;最后,对基本底事件进行了重要度分析,找出了可能导致星载网状天线展开失效的薄弱环节。     

考虑重力效应的挠性航天器姿态控制及振动抑制

以单轴转动的挠性航天器为研究对象,建立了考虑重力效应的挠性航天器动力学模型,并对该航天器在地面调试阶段和空间应用阶段的振动特性和姿态控制精度进行了仿真研究。仿真结果表明,重力项对挠性航天器的振动特性和姿态控制精度均有影响。为了使挠性航天器在不同重力环境下均达到较高的姿态控制精度和理想的振动抑制效果,设计了自抗扰控制器(ADRC),ADRC不依赖于被控对象精确的数学模型,能够应用于不同的重力环境。仿真结果表明,该控制器能实现挠性航天器在地面调试与空间应用阶段的姿态控制及振动抑制。     

星载可展开网状天线的网面成形与防缠绕设计

由网状反射面和可展开桁架结构构成的大型可展开网状天线是卫星通讯的有效工具。系统介绍了星载可展开网状天线的网面成形设计,并提出了几种有效的网状天线防缠绕设计方案。根据这些设计方法,利用FORTRAN语言编制了抛物面索网的网格优化程序,并成功设计制造了两种不同网格形式的缩比天线模型,进行了初步试验分析,验证了防缠绕设计的有效性,从而能够为类似的可展开网状天线设计提供重要的参考依据。     

考虑铰间间隙和重力效应的空间机械臂建模与控制

分析了不同重力环境下铰间间隙对空间机械臂动力学性能带来的影响,研究了地面装调和空间应用两个阶段的含铰间间隙机构动力学模型,在此基础上设计了不依赖控制对象模型的空间机械臂自抗扰控制(ADRC)算法,以解决重力环境和铰间间隙的改变导致地面调试好的控制系统在空间应用时无法达到控制精度的问题。该算法将机构中重力和铰间间隙的变化作为系统中的干扰,通过利用扩张状态观测器(ESO)对其进行估计,经过非线性反馈控制进行补偿,提高系统控制精度。仿真结果表明,不同重力环境下该控制算法均能达到较高精度控制要求,使系统具有较强的抗干扰性能。     

不同重力环境下间隙对机械臂末端轨迹的影响

以在轨服务高精度操控任务为背景,根据不同重力环境中机构的间隙界面运动特性,研究了地面装调及空间服役两种不同工况下的近似间隙等效模型。分析了不同重力环境下影响间隙形成的主要因素,并以二自由度空间机械臂为例,使用无质量轻杆法获取考虑铰间间隙的空间机械臂在重力及重力释放条件下的动力学解析解,进行了铰间间隙与重力对末端轨迹跟踪控制精度耦合影响的仿真研究。在此基础上,针对间隙等效模型造成的模型不确定性及干扰设计了间隙补偿控制器,并通过仿真验证了间隙补偿控制器的有效性。     

大型可展开天线与卫星的热致耦合动力学分析

以带有大型环形可展开天线的航天器为研究对象,采用有限元法,对大型可展开天线进行了在轨进出阴影区的瞬态温度求解;并基于卫星-天线刚柔耦合动力学模型,将时变温度场等效为时变热载荷加载到天线上,对整星系统的热致耦合动力学响应进行了数值模拟。结果表明,天线进出阴影期间,自身温度梯度主要存在于迎光侧与背光侧之间,并基于此可估算出天线的热响应特征时间;时变热载荷会导致天线结构和卫星姿态发生明显的振动响应,天线结构振动响应主要集中在第一、二阶固有模态上,卫星则会发生低频姿态振荡运动;该方法可以合理地预测大型可展开天线系统的热致耦合动力学响应。     

不同重力环境下含间隙旋转铰位置特性仿真研究

为研究不同重力环境下空间机构运动过程中含间隙铰的运动特性,以含间隙曲柄摇杆机构为研究对象,进行了不同重力环境下含间隙旋转铰质心运动行为分析。采用连续接触等效模型建立地面和空间微重力环境下的含间隙曲柄摇杆机构模型;继而在ADAMS软件中搭建模型,分别进行不同重力环境、间隙大小和曲柄转速条件下的含间隙曲柄摇杆机构仿真实验,并完成含间隙旋转铰质心运动特性分析。仿真结果表明:重力场加速度为0时,含间隙旋转铰质心运动行为基本不受转速影响;重力场加速度为1g时,含间隙旋转铰质心运动范围随转速的增大而增大。且两种重力环境下的仿真结果均显示出,间隙越大,含间隙旋转铰质心运动行为越容易发生突变。     

绳控多模块固面天线展开动力学分析与优化EI北大核心CSCD

针对一种扭簧驱动的双绳控固面天线,建立了基于欧拉-拉格朗日方程的天线展开动力学模型,研究了绳索张力对天线展开运动参数的影响。对绳控天线反射面系统的完整展开过程进行动力学仿真,得到仿真中的展开情况与数值计算结果相符,验证了理论模型的正确性。为了使天线反射面充分展开,采用序列二次规划算法(sequential quadratic programming,SQP)分别在无绳和有绳控制系统中,对驱动扭簧进行优化设计,通过优化使得展开更为合理并减少了反射面的展开包络空间。研究表明,通过引入绳索系统能够提高天线展开过程的稳定性,有效降低了各铰链关节处的负载峰值。研究结果可为绳控固面天线的展开过程设计提供理论指导,并具有实际工程意义。     

柔性关节空间机械臂奇异摄动自抗扰控制仿真研究

针对不同重力环境条件下考虑摩擦、关节刚度非线性与外扰影响的柔性关节空间机械臂的控制问题,提出了一种基于奇异摄动理论的自抗扰控制方法。首先建立了柔性关节空间机械臂在地面重力和空间微重力环境下的动力学模型;然后采用奇异摄动法将系统模型分为快变子系统和慢变子系统,针对快变子系统设计速度反馈控制律来抑制柔性关节的振动,针对慢变子系统设计加入前馈补偿的自抗扰控制器(ADRC)来抵抗系统的内外扰动,并对系统进行了稳定性分析;最后对设计的控制器进行了仿真验证与对比研究。仿真结果表明,采用该方法,在不同重力环境下柔性关节空间机械臂均能实现很好的轨迹跟踪和抖振抑制,且能有效抵抗内外扰动,系统具有鲁棒性。     

含间隙铰的机械多体系统动力学模型

对四类间隙铰模型(连续接触模型、有限元模型、经典碰撞模型和接触变形模型)进行分析比较，给出了经典碰撞和接触变形模式的含间隙多体系统动力学模型。经典碰撞模式的动力学模型着重考察系统动力学的整体行为，不能预测碰撞过程中铰关节局部接触力的变化历程。接触变形模式的多体系统动力学模型考虑了碰撞体间的法向和切向接触力，以及阻力矩，能够求解系统运动过程中间隙铰轴销与孔体的碰撞力。采用间隙铰的非线性弹簧阻尼模型，研究了重力场及其方向性对空间可展机构动力学性能的影响。计算结果表明，无重力与有重力环境时含间隙可展机构动力学行为有较大地差别，重力作用使间隙铰内碰撞减弱。为了保证在地面试验中可靠地预测在太空展开性能，可展机构在地面试验时应采取重力补偿措施。     

太阳能电池阵地面展开试验的仿真技术

根据太阳能电池阵在地面展开试验条件下的受力状态,提出了蜗卷弹簧、空气阻力、气浮平台摩擦力、铰链副阻力矩等受力条件的定量计算方法,利用Lagrange方程建立了电池阵展开过程的动力学方程,由此对太阳能电池阵的地面展开试验进行了动力学仿真。对于空气阻力,提出了利用空气流场的动能表征阻力矩的简化处理方法,即空气阻力矩正比于广义附加质量的模型。     

Combining virtual simulation and physical vehicle test data to optimize durability testing

This paper describes an ongoing project to model a vehicle on a computer with a multibody dynamics simulation software package and to merge that work with physical proving ground and laboratory tests in order to shorten vehicle development time. The intention is to mirror as closely as possible the behaviour of a physical vehicle in order to assist in determining its durability characteristics under varying road conditions. This modelling work is important because, if done with sufficient fidelity, it can be used in order to assess vehicle responses by using different suspension components or payloads. Also, potential issues associated with vehicle structure, suspension components or payload positioning can be observed on a computer prior to performing physical tests. The process has the potential to reduce vehicle development cost and time. The virtual dynamic vehicle model has been created by using Automatic dynamic analysis of mechanical systems (ADAMS) software package. The calculated outputs from the model are being compared to force and displacement data collected from actual vehicle on‐road testing or a servo‐hydraulic road test simulator (RTS). The virtual model can be adjusted until the calculated responses are in close agreement with those of the physical vehicle, thus linking the virtual and real‐world results.     

可变杆系结构展开过程的数值模拟

可变结构的应用范围很广,如建筑和航空领域中的折叠帐篷、可展天线等。采用了以自然坐标描述的多体系统动力学的有限元方法,根据基于刚体假设的最小应变能原理与拉格朗日乘子法给出了多体系统运动学基本方程的建立方法,并结合Hamilton原理建立了约束多体系统动力学基本方程,并讨论了数值模拟的收敛准则。最后基于MATLAB软件平台编制了多体系统动力学的有限元分析程序,通过对平面双摆机构的数值模拟,表明需要考虑数值阻尼以保证数值稳定及精度。最后对一四连杆机构的运动过程进行了数值模拟,验证了该文方法适用于可变杆系结构展开过程分析的可行性。     

Precise determination of the zero-gravity surface figure of a mirror without gravity-sag modeling

The zero-gravity surface figure of optics used in spaceborne astronomical instruments must be known to high accuracy, but earthbound metrology is typically corrupted by gravity sag. Generally, inference of the zero-gravity surface figure from a measurement made under normal gravity requires finite-element analysis (FEA), and for accurate results the mount forces must be well characterized. We describe how to infer the zero-gravity surface figure very precisely using the alternative classical technique of averaging pairs of measurements made with the direction of gravity reversed. We show that mount forces as well as gravity must be reversed between the two measurements and discuss how the St. Venant principle determines when a reversed mount force may be considered to be applied at the same place in the two orientations. Our approach requires no finite-element modeling and no detailed knowledge of mount forces other than the fact that they reverse and are applied at the same point in each orientation. If mount schemes are suitably chosen, zero-gravity optical surfaces may be inferred much more simply and more accurately than with FEA.     

Effect of Wire Space and Weaving Pattern on Performance of Microstrip Antennas Integrated in the Three Dimensional Orthogonal Woven Composites

A conformal load-bearing antenna structure (CLAS) combines the antenna into a composite structure such that it can carry the designed load while functioning as an antenna. Novel microstrip antennas woven into the three dimensional orthogonal woven composite were proposed in our previous study. In order to determine the effect of the space between the conductive wires on the antenna performance, different space ratios of 1.7, 2.3 and 4.6 were considered in the design. Simulation results showed that when the space ratio increased, the frequency shift and return loss of the corresponding antenna became larger. And the antenna had relatively good performance when the space ratio reached 1.7. Two types of antennas were designed and fabricated with the ratio of 1.7 and 1 respectively and both of them obtained agreeable results. It was also demonstrated by the experimental that the orthogonal structure patch antenna had similar radiation pattern with the traditional copper foil microstrip antenna. However, the interlaced patch antenna had large back and side lobes in the radiation pattern because the existence of the curvature of copper wires in interlaced coupons lowered the reflective efficiency of the ground.     

圆柱滚子轴承多体接触动力学研究

考虑滚子和套圈、滚子和保持架、保持架和引导套圈的动态接触关系,提出了机械系统中圆柱滚子轴承多体动力学分析的新方法。基于圆柱套圈滚道的三角网格模型,实现了圆柱滚子和套圈滚道的动态接触力的预测搜索算法,进而建立了计及润滑摩擦作用和Hertz接触作用的圆柱滚子轴承的三维多体接触全动力学模型。运用广义-α方法计算分析了不同工况条件下圆柱滚子轴承的动态特性和保持架的稳定性,获得了不同工况下轴承的运动轨迹、角速度、滚子和倾斜扭转振动、动态接触力,拖动力和相轨迹等动态响应的变化规律。计算结果表明低速或较小径向力下,滚子和保持架的拖动力相对较小且不稳定,滚子和保持架侧梁、外圈挡边之间存在明显的频繁接触冲击作用,内圈中心的振动位移相对较大,保持架中心的径向平面运动轨迹形成不稳定的近似圆周运动,圆柱滚子轴承的运动稳定性相对较差。随着转速或旋转径向力的增加,保持架中心的径向平面运动轨迹为圆周运动和单周期的相轨迹运动,保持架中心的轴向振动明显,滚子倾斜扭转振动相对较小。     

大变形复合材料薄板多体系统动力学建模

本文对大变形复合材料薄板的多体系统动力学建模方法进行研究。基于Kirchhoff假设,法线与中面保持垂直,从格林应变的表达式出发,建立了面内应变和曲率与绝对位置坐标和斜率的关系,在此基础上推导了广义弹性力阵和弹性力阵对广义坐标的导数阵,用绝对节点坐标方法建立了大变形复合材料薄板多体系统的动力学方程,用广义法和和牛顿迭代法求解微分-代数混合方程。对外载荷作用下的复合材料薄板进行数值仿真,通过与ANSYS的仿真结果进行对比,验证了本文建模方法的准确性和快速收敛性。最后,将建模方法应用于复合材料太阳帆板展开机构的数值仿真,分析了不同铺层情况下驱动力和约束力的振动特性。     

卫星天线一体化轴系驱动机构研究

导航卫星天线指向驱动机构是实现卫星星间链路天线高精度、长寿命可靠指向的核心部件。根据驱动机构需经历的发射段力学环境，入轨后真空、高低温等约束条件及星间链路天线的高精度、长寿命的特殊要求，提出了在步进电机、谐波减速器、编码器串装和一体化轴系的基础上，提高驱动机构精度和寿命的设计方法。理论分析了驱动机构预紧轴系受力状态及其影响因素，并进行了驱动机构轴系预紧力、启动转矩等效试验和使用寿命试验，分析了所设计驱动机构的负载特性；对驱动机构轴系的锁紧螺母进行结构改进，使驱动机构轴系的受力得到了较好的优化。为验证所设计驱动机构及其改进方法的正确性，在地面开展了不同热环境下精度和寿命等测试试验，最终验证了该导航卫星天线驱动机构能够满足天线在特殊环境下高精度、长寿命在轨稳定运行的要求。机构轴系预紧力的分析和试验验证工作具有一定的工程指导意义。