桿狀空間柔性展開機(jī)構(gòu)展收動(dòng)力學(xué)的時(shí)變建模與分析

大型空間可展機(jī)構(gòu)是衛(wèi)星天線和太陽翼的主要承力部件，是建造高分辨率對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星和空間站的關(guān)鍵部件。其在太空軌道，能否正常展開直接關(guān)系到巨額投資的飛行器任務(wù)的成敗，故對(duì)其展開動(dòng)力學(xué)的研究受到廣泛關(guān)注。近年來，人們對(duì)柔性體的建模工作雖已取得很大成功，但用現(xiàn)有方法來建模大型復(fù)雜柔性展開機(jī)構(gòu)時(shí)，引入的廣義坐標(biāo)數(shù)目多、求解時(shí)間長(zhǎng)，以致對(duì)展開動(dòng)力學(xué)內(nèi)在特性的認(rèn)識(shí)仍然十分匱乏。鑒于此，本課題重點(diǎn)開展了如下幾項(xiàng)研究：（1）對(duì)繩索滑輪系統(tǒng)，提出了考慮摩擦的時(shí)變索建模方法，在相同的計(jì)算精度下大幅減少了計(jì)算廣義坐標(biāo)數(shù)，提高了計(jì)算效率。（2）開發(fā)了基于子結(jié)構(gòu)建模的柔性多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)求解器及相應(yīng)前后處理程序，大大簡(jiǎn)化了建模復(fù)雜系統(tǒng)的難度。（3）系統(tǒng)深入的分析了盤饒式桿狀伸展臂的展開動(dòng)力學(xué)特性，為我國空間站太陽翼的展開方案選型提供了重要的技術(shù)支持。（4）系統(tǒng)深入的分析了大型環(huán)形可展天線的展開動(dòng)力學(xué)特性，獲得了制約展開驅(qū)動(dòng)力和部件載荷的核心因素，為我國首個(gè)大天線的設(shè)計(jì)提供了重要的理論支撐。（5）對(duì)環(huán)形天線的能效學(xué)分析指出，天線展開需要的驅(qū)動(dòng)力是非線性的，初期小后期大，而傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器提供的驅(qū)動(dòng)力是線性的，初期大后期小。為此提出借助凸輪或非圓齒輪調(diào)制傳統(tǒng)彈簧力輸出曲線，使其更適合天線展開所需大的非線性力位移曲線。本課題發(fā)展的時(shí)變建模方法以及開發(fā)的動(dòng)力學(xué)求解程序，亦可用于其他柔性系統(tǒng)仿真中，為科學(xué)研究和工程應(yīng)用提供有力的建模方法和計(jì)算工具。提出了非線性驅(qū)動(dòng)器也可用于其他工程系統(tǒng)中。 2100433B

桿狀柔性空間展開機(jī)構(gòu)作為衛(wèi)星天線和太陽翼的主要承力部件，是建造高分辨率對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星和空間站的關(guān)鍵部件。其在太空軌道，能否正常展開和收攏直接關(guān)系到飛行器任務(wù)的成敗，故對(duì)其展收動(dòng)力學(xué)的研究受到廣泛關(guān)注。近年來，人們對(duì)柔性體的建模工作已取得很大成功，但用現(xiàn)有非時(shí)變方法研究柔性展開機(jī)構(gòu)引入自由度多、求解時(shí)間長(zhǎng)，以致對(duì)展收過程的穩(wěn)定性和可靠性等問題仍缺乏深入研究。鑒于此，本課題擬開展如下三項(xiàng)工作：(1)發(fā)展柔性多體系統(tǒng)的時(shí)變建模和數(shù)值求解方法，提高計(jì)算效率并研究展收組件幾何和物理參量對(duì)展收可靠性的影響；(2)發(fā)展時(shí)變梁?jiǎn)卧?，研究展收過程的側(cè)向和扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定性；(3)針對(duì)幾類桿狀柔性展開機(jī)構(gòu)研究其展收動(dòng)力學(xué)特性，揭示機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵。本項(xiàng)目研究結(jié)果有望應(yīng)用于我國正在和即將研制的桿狀柔性展開機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，所發(fā)展的時(shí)變建模方法亦可用于其他柔性系統(tǒng)仿真中，為科學(xué)研究和工程應(yīng)用提供有力的建模方法和計(jì)算工具。

本項(xiàng)目以空間多鉸折展機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，系統(tǒng)的研究了鉸鏈非線性力學(xué)特性、折展機(jī)構(gòu)剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模、空間環(huán)境熱變形與熱模態(tài)分析、展開精度建模與分析、樣機(jī)研制與動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)等科學(xué)問題。按照項(xiàng)目預(yù)期目標(biāo)圓滿完成了全部工作內(nèi)容。取得主要成果如下： （1）基于赫茲接觸力分布和鉸鏈接觸幾何約束條件，建立了高精度鉸鏈非線性接觸力學(xué)模型；建立了鉸鏈非線性動(dòng)剛度及阻尼模型，分析了鉸鏈間隙、接觸變形、振動(dòng)幅值和振動(dòng)頻率等對(duì)剛度、阻尼特性、碰撞響應(yīng)的影響；基于描述函數(shù)法對(duì)鉸鏈四種不同非線性特性進(jìn)行了建模與分析；考慮空間高低溫環(huán)境，對(duì)鉸鏈準(zhǔn)靜態(tài)、動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了高溫、低溫試驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證了理論模型的正確性。 （2）提出了鉸鏈等效熱力學(xué)建模方法，建立了空間折展機(jī)構(gòu)熱變形與熱模態(tài)分析模型。結(jié)合熱彈性力學(xué)、靜力學(xué)、幾何學(xué)以及物理學(xué)，推導(dǎo)了折展機(jī)構(gòu)熱變形方程，分析了折展機(jī)構(gòu)在不同溫度場(chǎng)下的熱變形；分析了溫度場(chǎng)、熱應(yīng)力對(duì)折展機(jī)構(gòu)基頻和模態(tài)的影響，以熱變形最小，形面精度最高為目標(biāo)對(duì)折展機(jī)構(gòu)桿件熱膨脹系數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。 （3）引入考慮多因素非線性鉸鏈模型，建立了空間折展機(jī)構(gòu)非線性多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。分析了鉸鏈剛度、阻尼、外部激勵(lì)等對(duì)折展機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的影響；提出了基于彈性波理論的折展機(jī)構(gòu)等效動(dòng)力學(xué)建模方法，分析了鉸鏈非線性動(dòng)力學(xué)響應(yīng)；基于有限元分析了空間一維伸展臂、平面天線機(jī)構(gòu)、空間曲面天線機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性及鉸鏈剛度對(duì)機(jī)構(gòu)基頻的影響。 （4）基于誤差獨(dú)立作用原理，利用微分法建立折展機(jī)構(gòu)精度模型。研究了單閉環(huán)、雙閉環(huán)機(jī)構(gòu)在各個(gè)桿件參數(shù)誤差影響下的展開位置變化，得出了在不同驅(qū)動(dòng)方式下桿件位置與輸入?yún)?shù)誤差對(duì)應(yīng)關(guān)系及適合機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方式；基于誤差傳遞函數(shù)和干涉條件，建立了機(jī)構(gòu)的精度分配準(zhǔn)則，并進(jìn)行桿件精度分配。 （5）研制了空間一維伸展臂、三維曲面天線機(jī)構(gòu)樣機(jī)及微重力模擬試驗(yàn)裝置，搭建了動(dòng)力學(xué)測(cè)試平臺(tái)，進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)。測(cè)試了一維伸展臂、三維曲面天線機(jī)構(gòu)的基頻。對(duì)空間折展桁架機(jī)構(gòu)進(jìn)行了非線性動(dòng)力學(xué)特性測(cè)試，識(shí)別了鉸鏈非線性特征，驗(yàn)證了理論模型的正確性。 本項(xiàng)目共發(fā)表論文24篇，其中SCI論文4篇、EI論文20篇，申請(qǐng)國家發(fā)明專利8項(xiàng)，已授權(quán)4項(xiàng)。培養(yǎng)青年骨干教師及博士后1名、博士生4名、碩士生6名。參加國際學(xué)術(shù)會(huì)議8次，出國進(jìn)行學(xué)術(shù)交流1次。本項(xiàng)目研究所取得的成果可為空間多鉸折展機(jī)構(gòu)的航天工程應(yīng)用提供支撐。 2100433B

空間多鉸可折展機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用在載人航天、月球探測(cè)、空間站、對(duì)地觀測(cè)等太空活動(dòng)中?？臻g微重力、高低溫、真空環(huán)境及鉸鏈非線性力學(xué)行為對(duì)可折展式機(jī)構(gòu)的折展運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)帶來很大影響。而目前對(duì)考慮空間多場(chǎng)耦合作用下的空間可折展機(jī)構(gòu)非線性動(dòng)力學(xué)方面研究較少且不夠深入。本項(xiàng)目以空間多鉸可折展機(jī)構(gòu)的航天應(yīng)用為背景，重點(diǎn)研究以下內(nèi)容：（1）考慮空間環(huán)境的影響，研究鉸鏈結(jié)構(gòu)中間隙、摩擦、預(yù)載荷、接觸變形、微位移、粘滑之間的相互作用機(jī)理，建立間隙-摩擦鉸的非線性等效彈簧-阻尼模型；（2）空間冷熱交變環(huán)境下多鉸可折展機(jī)構(gòu)熱變形、熱振動(dòng)分析；（3）建立多場(chǎng)耦合作用下空間多鉸可折展機(jī)構(gòu)非線性動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)可折展機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行分析。（4）基于動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)空間多鉸可折展機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)展開精度進(jìn)行分析。（5）通過仿真分析與地面模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論模型的正確性和可行性，為空間多鉸可折展機(jī)構(gòu)的工程應(yīng)用提供基礎(chǔ)性理論依據(jù)和技術(shù)支持。

超大柔性空間結(jié)構(gòu)的“超大”和“高柔性”特征給在軌動(dòng)力學(xué)和控制帶來了新的問題和挑戰(zhàn)。本項(xiàng)目主要研究了超大柔性空間結(jié)構(gòu)在軌動(dòng)力學(xué)建模、響應(yīng)特性分析、振動(dòng)控制和形狀控制問題，包括：（1）在超大柔性空間結(jié)構(gòu)在軌動(dòng)力學(xué)建模和機(jī)理分析方面，充分考慮重力梯度影響建立了千米量級(jí)啞鈴模型的Hamilton體系的動(dòng)力學(xué)模型；采用基于能量等效原理的連續(xù)體等效方法，建立了具有周期桁架結(jié)構(gòu)空間太陽能電站的等效柔性梁模型；指出了重力梯度力矩經(jīng)典近似模型的局限性并修正了近似模型；推導(dǎo)了Mathieu方程形式的模態(tài)振動(dòng)方程，研究了不同初始姿態(tài)角下彎曲振動(dòng)的穩(wěn)定性。（2）在超大柔性空間結(jié)構(gòu)在軌動(dòng)力學(xué)特性分析方面，提出了Runge-Kutta 法和Newmark法同時(shí)迭代的高效數(shù)值方法，研究了太陽光壓和熱輻射等空間環(huán)境干擾下的在軌動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性，揭示了結(jié)構(gòu)振動(dòng)、姿態(tài)運(yùn)動(dòng)和軌道運(yùn)動(dòng)的耦合機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)，重力梯度力矩對(duì)姿態(tài)動(dòng)力學(xué)影響顯著，重力梯度力矩與結(jié)構(gòu)尺寸的平方成正比。重力梯度使結(jié)構(gòu)振動(dòng)與姿態(tài)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生耦合，結(jié)構(gòu)尺寸達(dá)到臨界尺寸時(shí)系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。太陽光壓主要影響軌道運(yùn)動(dòng)，對(duì)姿態(tài)運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)振動(dòng)的影響在短期分析中可以忽略。熱輻射主要影響結(jié)構(gòu)振動(dòng)，對(duì)軌道運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)運(yùn)動(dòng)影響較小。（3）在大型柔性空間結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制方面，發(fā)展了大型柔性空間結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量參數(shù)辨識(shí)方法研究，提出了基于攝影測(cè)量技術(shù)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)參數(shù)辨識(shí)方法，解決了大型柔性空間結(jié)構(gòu)在軌動(dòng)力學(xué)參數(shù)難以精確獲取的問題，進(jìn)而提出了大型柔性空間結(jié)構(gòu)的分布式自適應(yīng)模型預(yù)測(cè)振動(dòng)控制方法，并發(fā)展了周期時(shí)變控制系統(tǒng)H2范數(shù)和Riccati微分方程的擴(kuò)展精細(xì)積分算法，提高了魯棒控制問題的求解精度和效率。（4）本項(xiàng)目還開展了大型空間智能結(jié)構(gòu)高精度形狀主動(dòng)控制研究，提出了基于影響系數(shù)矩陣法的閉環(huán)反饋形面主動(dòng)控制方法，搭建了格柵反射器形面主動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)，驗(yàn)證了形面主動(dòng)控制方法的精度和有效性。 2100433B