分布参数柔性航天器的变结构控制

该文基于Hamilton变分原理,采用Timoshenko梁理论,对带有柔性附件的航天器建立了中心刚体-柔性梁动力学模型。利用对柔性梁端部边界限制所设计的控制器,实现了系统的渐近稳定设计。该文给出了数值仿真结果,并分析讨论了航天器刚体角位移及柔性梁末端挠度的动力学变化规律。该文可为柔性航天器的动力学控制提供鲁棒性强的变结构控制方法。     

柔性航天器附件振动抑制的根部控制法

以中心刚体带柔性附件的航天器为对象，研究了姿态控制时中心体的转动惯量与附件振动衰减速率之间的关系。以此为基础提出一种附件振动抑制和附件指向控制的方法——根部控制法。结果表明，此方法可明显抑制附件振动，并对姿态控制的影响很小。     

无网格法在中心刚体-旋转柔性梁系统动力学分析中的应用EI北大核心CSCD

将无网格点插值法、径向基点插值法、光滑节点插值法用于中心刚体-旋转柔性梁的动力学分析。基于浮动坐标系方法,考虑梁的纵向拉伸变形和横向弯曲变形,并计入横向弯曲变形引起的纵向缩短,即非线性耦合项,运用第二类Lagrange方程推导得到作大范围运动的中心刚体-旋转柔性梁系统的动力学方程。将无网格法的仿真结果与有限元法和假设模态法进行比较分析,表明其作为一种柔性体离散方法在中心刚体-旋转柔性梁的刚柔耦合多体系统动力学的研究中具有可推广性。     

多体动力学热-结构耦合圆管单元及其应用

航天器柔性附件在突加太阳辐射热载荷作用下的热诱发振动会严重影响航天器的正常工作。航天器是典型的多体系统;部件间的相互作用会严重影响航天器的热诱发振动响应,因而有必要使用多体系统动力学的方法对此进行研究。该文在柔性多体系统动力学框架内,推导建立了一种考虑辐射换热的热-结构耦合圆管单元。温度变化会使圆管单元产生轴向伸缩和横向弯曲;同时,在给定辐射热流作用下,圆管单元受热条件与其姿态和变形相关。使用该圆管单元、刚体单元和柔性体单元可以实现多体系统动力学热-结构耦合分析。该文的方法首先用于哈勃太空望远镜太阳能电池板简化模型的热诱发振动分析,所得结果与文献结果吻合良好。然后,该文研究了由本体、动量轮、柔性支撑杆和端部质量组成的航天器在突加辐射热流作用下的振动响应。结果表明：各部件间的相互作用会对航天器的热诱发振动响应产生显著影响。     

末端带集中质量的可伸展挠性附件与航天器姿态耦合动力学分析

结构复杂的航天器带有几十米、上百米大型挠性附件,附件末端还带有大质量刚体.大型挠性附件在空中展开时,其伸展运动、弹性振动和航天器的姿态运动相互耦合.为研究附件伸展和振动对航天器姿态的影响并设计有效的控制器,有必要建立可伸缩挠性附件与航天器姿态耦合动力学模型.为此,利用动量矩定理推导出末端带集中质量的可伸缩柔性附件与航天器姿态耦合动力学方程,研究了带末端质量附件的伸展运动对航天器姿态及对附件挠性振动的影响.附件匀速伸展,用Runge-Kutta法对系统进行数学仿真,仿真结果表明:伸展过程姿态角误差增大,附件振幅增大,附件频率不断降低,并且末端质量越大时,在相同长度处附件频率越小,增加了控制的难度.对末端带集中质量的挠性附件和中心刚体进行主动控制能有效抑制挠性附件的振动,满足姿态角精度要求.     

刚柔耦合多体系统动力学模型降阶

提出了基于模态综合法的刚柔耦合多体系统动力学模型降阶方法。该方法用自然坐标法和绝对节点坐标法分别描述刚柔耦合多体系统中的刚体构件和柔性体构件,同时用Craig-Bampton方法对柔性体模型进行减缩。对于刚体构件与柔性体构件之间只存在线性约束的情况,建立了消除线性约束的刚柔耦合多体系统动力学方程。最后,为了验证的该方法的有效性,对刚柔耦合双摆进行了研究。仿真结果表明:适当选择模态就可以在满足计算精度的同时减少计算时间,提高计算效率。     

轮式悬架移动2连杆柔性机械手动力学研究与仿真

对轮式悬架2连杆柔性移动机械手(平面)进行了系统的动力学研究.该轮式移动机械手由带有弹性-阻尼悬架系统的移动载体和柔性机械手所组成,并假定移动载体以恒速通过不规则路面.采用经典瑞利-里兹(Rayleigh-Ritz)法和浮动坐标法描述机械手弹性变形与参考运动间的动力学耦合问题,综合利用拉格朗日原理和牛顿-欧拉方程并在笛卡尔坐标系下 ,以矩阵、矢量简洁的形式构建了该移动柔性机械手系统的完整动力学模型.最后采用数值的方法给出了该动力学模型正解的仿真结果.通过与刚体模型、刚柔混合模型仿真结果的比较,证实了该柔体系统存在动力学耦合现象.     

基于绝对坐标法的柴油机曲轴柔性多体系统的动力学仿真

该文基于柔性多体动力学理论,在自主研发的多体系统程序中,建立了某大型船用柴油机曲轴的柔性多体动力学仿真模型。其中采用基于绝对节点坐标的三维实体单元和基于有限段法的梁单元分别对曲柄和主轴颈进行建模,利用约束方程将发动机曲柄连杆机构的各部件进行组装,并考虑了轴承的弹性和非线性。对曲轴进行了约束模态分析和动力学仿真分析,计算了主轴承的载荷和轴颈的位移,得到了曲轴的动应力分布规律并进行了其强度校核。结果表明基于绝对节点坐标法的柔性多体系统的动力学建模和仿真计算的实现为柴油机的改进和设计提供了理论依据。     

大型空间结构的柔性效应

本文讨论大型空间结构的柔性效应，通过柔体建模及模型分析，区别于多刚体系统，就柔体主模诚损失对动力学方程组的影响进行了分析，同时，给出了系统较难控制的柔性效应误差及误差显式表达式。     

考虑附加质量的旋转柔性梁的随机动力学分析

摘要：研究了带有附加质量的中心刚体-柔性悬臂梁系统在参数具有随机性时作大范围运动的动力响应问题。基于假设模态法和Lagrange方程建立了带有附加质量的中心刚体-柔性悬臂梁系统的一次近似耦合随机动力学方程,利用混沌多项式结合高效回归法将其转化为完全隐式纯微分方程,求解方程得到柔性悬臂梁变形位移响应的数字特征。最后,通过数值仿真对物理参数和几何参数具有随机性的系统进行动力特性研究。仿真结果表明：利用随机参数的动力学模型能客观地反映出系统的动力学行为;部分随机参数的分散性对柔性体动力响应的影响不可忽视。     

基于行波模型的航天器附件动力吸振分析

将航天器梁式柔性附件的振动作为波动研究，建立附件端点带单自由度动力吸振器的航天器行波动力学模型。根据附件的等效单自由度模型设计吸振器参数，以获得最优的减振效果。结果表明，动力吸振可明显降低附件弹性振动的峰值，改善姿态运动特性，同时，行波模型具有方便局部模型修改的特点。     

Flexible body dynamics in a local frame with explicitly predicted motion

This paper deals with formulation of dynamics of a moving flexible body in a local frame of reference. In a conventional approach the local frame is normally fixed to the corresponding body and always represents the positions and angles of the body: the positions and angles are represented by Cartesian coordinates and Euler angles or Euler parameters, respectively. The elastic degrees of freedom are expressed by, e.g. nodal coordinates in a finite element analysis, modal coordinates, etc. However, the choice of these variables as the generalized coordinates makes the resulting equations of motion extremely complicated. This is because the representation of the rotation of a body is highly non‐linear and this non‐linearity makes the coefficient matrices dependent on the coordinates themselves. In this paper, we propose an alternative way of treating the issue by explicitly predicting the body motions and regularly updating the local frame. First, the motion of the local frame is assumed to explicitly follow the associated moving body. Then, the equations of motion are derived in a set of generalized coordinates that express both rigid‐body and elastic degrees of freedom in the local frame. These equations are solved by a time integration with a given time interval. The motion of the local frame in the interval is estimated from a prediction of the rigid‐body motions. Then, the gap between the predicted and the actual motions is evaluated. Finally, the predictions are iteratively corrected by the obtained responses in the rigid‐body motions so that the gap should remain within an imposed tolerance. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

一种挠性航天器的自适应姿态控制与振动控制

挠性航天器三轴姿态控制与振动控制需要处理复杂的姿态运动学耦合、动力学力矩耦合、挠性模态与刚体的动力学耦合,以及在轨航天器挠性附件的参数不确定等问题。基于频带分离方法分别设计了姿态控制器和振动控制器,其中的挠性附件振动对姿态的影响以时变干扰模型进行考虑。利用奇异摄动理论,设计了姿态控制器。该控制器由快速角速度环和慢速角度环两回路组成,采用具有较强抗干扰能力的积分型SDRE（State-Dependent Riccati Equation）控制器进行姿态指令跟踪。对于挠性振动,设计了独立模态控制的正位置反馈（PPF）控制器,通过对一阶控制器参数进行调节,使系统当存在结构不确定或参数变化的情况时仍能较好地收敛,保证了系统的鲁棒性。最后仿真表明了在干扰力矩下姿态的稳定性和振动的快速抑制。     

带伸展柔性附件航天器的动力响应

推导了带伸展柔性附件航天器的时变系数动力学方程。对比了用刚性模型和柔性模型处理这类问题的区别,柔性模型的姿态角速度围绕刚性模型姿态角速度曲线振荡,因此用刚性模型可以近似地预测角速度的运动趋势。分析了附件自由振动和受简谐激励、脉冲激励时对航天器姿态的影响。指出了一些独特的动力学行为：齐次解的非瞬态特性、脉冲响应的渐强振动、简谐激励的非稳态特性、瞬时共振的延续和加强。这些特性的存在会导致航天器姿态的剧烈运动和附件的破坏     

航天器柔性附件对整器固有振动特性影响因素及规律分析

介绍快速求解含大型柔性附件航天器系统模态的结构动力学方法,通过对多个柔性结构模型缩聚大幅度缩减自由度,集成MATLAB与NASTRAN进行联合仿真分析。遍历附件所有可能工作姿态的系统模态,大幅提高系统模态计算效率。通过该快速求解方法进行仿真实例分析,阐明航天飞行器的系统构型、柔性附件转动角度、本体与柔性附件质量惯量比三方面对柔性附件约束模态与系统模态影响规律。     

基于输入成形的柔性航天器振动闭环抑制方法研究

针对柔性航天器姿态机动时柔性附件的振动抑制问题,提出一种基于输入成形和反馈控制联合的主动振动抑制策略,在保证航天器完成指定的姿态机动的同时抑制对系统影响较大的挠性附件的振动。考虑到柔性附件模态变量难以测得以及存在外界干扰力矩,设计了只利用姿态信息的反馈控制器,并根据整个闭环系统的振动频率和阻尼比信息设计前馈鲁棒多模态输入成形器,进一步提高闭环系统的性能。仿真结果表明,应用该策略成功地抑制柔性附件的振动及改善系统的机动时间,并使系统性能对参数的摄动具有很强鲁棒性。     

A flexible natural coordinates formulation (FNCF) for the efficient simulation of small‐deformation multibody systems

This paper introduces the novel flexible natural coordinates formulation to model small‐deformation multibody dynamics. The main contribution of this work is its resulting constant mass matrix and quadratic constraint equations devoid of any other nonlinearities. These properties are similar to those of a natural coordinates formulation for rigid multibody systems with the addition of constant damping and stiffness matrices to model the flexibility under the assumption of small deformations. As such, it is a straightforward extension to natural coordinates while maintaining its beneficial properties. The main concept of the current approach is to introduce ample redundancy in the set of generalized coordinates to simplify the kinematics ensuring the aforementioned properties and the similarity to a natural coordinates approach. This is not achievable by standard techniques that introduce redundancy. Not only does this offer a very simple equation structure but also interesting properties toward the development of system‐level model order reduction techniques for flexible multibody systems as well as a straightforward parameter gradient extraction. The formulation accuracy is validated with a floating frame of reference implementation.