大型空间环形桁架天线反射器展开动力学模拟与实验研究

近年来,可展开环形桁架天线被广泛应用于航天领域,将其作为提升通信卫星水平的关键技术.环形桁架式天线反射器可以看作是由可展开环形桁架和柔性索网反射器组成的复杂刚-柔耦合多体系统.为了精确表征柔性构件发生的大转动、大变形运动特性,本文采用结合绝对节点坐标方法(ANCF)与自然坐标方法(NCF)的绝对坐标(ACB)方法对该系统进行建模.为了提高天线展开动力学模拟的计算效率,文中提出基于静力缩聚法和多层区域分解方法的并行求解算法实现大规模刚-柔多体系统动力学方程的高效求解.此外,为了精确反映反射器不同步展开现象,在展开动力学模型中考虑驱动力衰减的影响.最后,基于上述方法对环形桁架天线反射器展开的第二阶段进行动力学分析,并通过4 m缩比环形桁架天线地面实验验证数值模拟的结果.     

螺栓连接大变形梁非线性振动特性的实验研究

柔性机械臂、大型可展开天线等机械结构的动作精度受运动过程中大变形几何非线性和连接处接触非线性的影响十分显著。以含螺栓连接结构的大变形梁作为研究对象，针对动力学建模和振动特性开展了实验研究，通过数值计算验证了实验发现的非线性振动特性。搭建了含螺栓连接柔性大变形梁的实验台架，开展了敲击和正弦激振的实验测试。实验结果表明，螺栓连接的柔性梁较连续梁的（无螺栓连接）模态频率降低，阻尼增加，反映出随着激励能量增大，模态频率降低的非线性模态特征。改变螺栓连接位置会显著影响结构的模态频率，其变化规律可由求解线性矩阵特征值定性反映。     

六边形柔性绳网展开过程仿真与试验

柔性绳网在工程领域应用广泛,它具有复杂的非线性行为,其建模仿真研究是数值仿真领域的一大难点。针对六边形柔性绳网系统的发射展开过程,建立了动力学模型,利用ABAQUS有限元仿真软件,实现了对柔性绳网展开过程的动力学仿真研究。同时,开展了柔性绳网地面发射试验,试验结果表明：绳网展开过程的网形、张开面积与模型仿真结果基本吻合,说明所建立的动力学模型准确、可靠,有限元法可用于柔性绳网的仿真研究。     

大型环形桁架天线分布式驱动展开方法与数值分析

作为星载大型天线的典型结构形式,大型环形桁架天线在新一代大型通信卫星、中继卫星、对地观测卫星等中需求迫切,且需求的口径越来越大.然而随着天线口径的增大,天线展开所需要的驱动力也急剧增大,使得传统的电机-动力绳集中式驱动展开方式存在展开可靠性的问题.本文建立了大型环形桁架天线动力学仿真模型,对集中式电机驱动展开过程进行了仿真,揭示了集中式驱动下电机动力在传力路径上摩擦损失而导致的展开不同步问题,并对其展开过程能量消耗进行了分析,总结了集中式驱动存在的不足.在此基础上给出了一种基于负刚度驱动装置的分布式驱动展开方法,并通过数值算例验证了其有效性.     

预压叠层柔性机械臂弯曲试验及有限元数值仿真

为抑制柔性机械臂的振颤，该文提出利用组合构件的滞迟特性来改善机械臂的动力学品质以达到减振的作用；介绍了预压叠层柔性机械臂力-变形本构关系的试验研究及有限元数值仿真。研究了其滞迟特性随预压力、载荷及工作点的变化；分析了叠层结合面的作用机理；表明组合柔性机械臂抑振效果好，结构简单。在用ANSYS进行有限元数值仿真时考虑了几何非线性与叠层之间接触状态非线性的影响，数值仿真结果与试验接近，该方法为组合柔性机械臂的静力学、动力学的研究及设计计算提供了有效手段。     

大型周边桁架式天线展开过程动力学建模仿真

为了更精确描述大型周边桁架式天线展开过程中的动力学行为,采用几何精确梁单元法对周边桁架的横杆和纵杆以及锁网进行柔性建模,一维移动介质单元对驱动绳建模,结合对T型铰、同步铰以及斜杆刚性假设,实现对整个天线系统的动力学仿真。通过仿真分析,得到了电机驱动力和纵杆最大弯曲应力随展开时间变化的曲线。通过对仿真曲线的分析发现,当第一根斜杆开始锁定之后,驱动力整体呈大幅增长趋势;每当有斜杆锁定时,驱动力都会有一定幅度震荡。     

基于绝对节点坐标法的柔性双臂机构动力学分析

基于绝对节点坐标法对具有变截面特征的柔性双臂机构进行了动力学分析.通过将边界函数引入到质量矩阵和刚度矩阵的积分上下限,建立了新型变截面梁单元模型.基于牛顿方程建立了柔性双臂机构的动力学模型.通过数值仿真案例,分析了材料特性及几何参数对柔性双臂机构动力学性能的影响.结果表明:材料弹性模量的增长可提高结构刚度减少结构变形;保证机械臂质量不变可通过改变截面形状来减少结构变形,提高运动精度.     

包带式星箭连接结构的动力学模拟及故障分析

为预示包带式星箭连接结构的动力学特性以及产生故障后对星箭分离的影响,提出精细描述包带结构的板单元模型。采用ADAMS软件平台对星箭解锁分离动力学进行数值模拟,考察了爆炸螺栓冲击、限位弹簧刚度、包带预紧力以及摩擦对包带包络的影响。采用包带板单元模型分析了单个爆炸螺栓解锁失效、卡块与包带脱离、分离弹簧失效3种典型故障模式对星箭解锁分离过程的影响。分析结果表明:降低爆炸螺栓冲击、增加限位弹簧刚度是控制包带包络的有效方法。尽管在卡块与包带脱离失效及分离弹簧失效的情况下,卫星与火箭能够分离,但这些失效可能引起卡块与卫星碰撞、分离姿态偏转等严重后果。     

旋转变截面梁自由振动特性研究

本文以中心刚体-变截面柔性梁为对象,研究由中心刚体引起的动力学耦合效应对变截面柔性梁的自由振动特性影响.首先基于哈密顿原理,考虑中心刚体和旋转梁之间的耦合作用以及中心刚体的离心力作用,建立中心刚体-柔性梁的动力学模型;然后,利用傅里叶变换将动力学模型的偏微分方程转换为频域上的常微分方程,并通过数值差分法求解旋转变截面梁的固有频率和振动模态;最后,将本文中的动力学模型经退化后与已发表的不同类型变截面梁自由振动特征进行对比验证,其结果吻合一致.通过数值计算,进一步系统地揭示了变截面的几何特性、中心刚体的旋转速度以及中心刚体-柔性梁的惯量比对振动频率和模态的影响规律.本文的研究工作证实了存在耦合效应的非线性系统的稳态响应反映的是系统宏观的振动特征,这一特征不仅依赖于柔性结构本身固有的振动特性,也依赖于柔性结构的外部运动环境.     

含柔性关节的轮式移动机械臂的动力学分析

开展了含有柔性关节的轮式移动机械臂的动力学特性研究。基于多体系统离散时间传递矩阵法（discrete time transfer matrix method of multibody system, MS-DT-TMM）建立了车轮、车体、柔性关节和机械臂的动力学方程,进而得到平面轮式移动柔性机械臂的整体动力学模型。在不平路面的激励下,分析机器人系统的动力学特性,并讨论柔性关节对系统的影响。数值仿真结果验证了基于MS-DT-TMM模型的可行性和有效性,与刚性结果对比分析表明,由柔性关节引起机械臂的弹性振动,直接影响机器人末端的操作精度,说明考虑关节中柔性因素的必要性。     

基于区域分解的柔性多体系统高效并行算法

近年来,大量轻质柔性结构成功应用于航空航天、智能机器人以及3D打印等领域,使得这些机械系统呈现出典型的刚柔耦合动力学特性.已有研究表明,基于小变形、小转动假设的传统柔性多体系统建模方法,如浮动坐标系方法,已无法精确描述上述大变形柔性构件的动力学特性.本文在等几何分析体系下,采用非均匀有理B样条(Non-Uniform Rational B-Splines,NURBS)插值函数离散平面柔性结构位移场,基于连续介质力学大变形理论,建立了能够精确描述大转动与大变形耦合的平面板单元.为了提高大变形柔性多体系统仿真效率,本文首先采用不变矩阵法,推导了大变形柔性体的非线性弹性力与切向刚度矩阵的高效计算公式.其次,基于有限元撕裂对接(Finite Element Tearing and Interconnecting,FETI)区域分解技术,提出了一种大变形柔性多体系统动力学方程高效求解算法.该算法中,首先通过空间离散与时间离散将多体系统动力学方程转化为一组非线性代数方程,然后采用含预条件的共轭梯度(Preconditioned Conjugate Gradients,PCG)迭代算法并行求解线性化后的线性方程组.较以往多体系统常用的并行直接算法,能够显著地提高计算效率.最后,通过若干数值算例验证了所提出并行算法的有效性,并分析了该算法的复杂度,加速比以及可扩展性.     

大型汽轮发电机组基础动力特性灵敏度分析

利用空间梁单元建立汽机基座的动力学分析模型,并运用有限元数值模拟,对发电机框架式基础动力特性进行灵敏度分析,讨论汽机基座动力特性影响因素的敏感程度.结合国内某大型汽轮发电机组基础进行优化设计,得到了动力特性优良的汽机基座方案.通过与模型试验结果相比较,验证了有限元数值模拟的准确性和可行性.     

大型环形桁架天线间隙铰径向动刚度的理论与实验研究

大型环形桁架天线结构由大量的杆件及铰链构成,环形桁架为天线结构的骨架,为天线反射型面的形成提供可靠的支撑.由于结构中存在大量的铰链,在制造及装配等过程中铰链的间隙不可避免,而铰链的动刚度系数对铰链的动力学特性有着重要影响,因此有必要对铰链的动刚度进行研究.本文对大型可展空间环形桁架天线结构间隙铰链的动刚度问题进行了理论与实验分析.建立了铰链动刚度的模型,分析了外激励、铰链间隙及铰链振动幅值对动刚度系数的影响.结果表明,间隙对动刚度系数的影响较为显著,随着间隙的增大,铰链的动刚度系数将会降低.同时,通过实验分析,验证了理论模型的正确性.     

大型柔性空间结构热-非线性动力学耦合有限元分析

该文从三维固体力学基本方程和虚功原理出发,考虑几何非线性和截面翘曲的影响,发展了一种热-动力学耦合分析薄壁杆单元,并采用Newmark方法和Newton-Raphson迭代联合求解.其大转动问题采用Rodrigues公式考虑,其截面温度分解为平均温度和摄动温度.该文将瞬态温度场分析和几何非线性很好地统一起来,大大降低了计算规模,为复杂柔性空间结构的热-动力学分析提供了一套求解方案.通过与文献中的数值算例比较,验证了该方法的可靠性.利用该方法分析哈勃望远镜的太阳翼,解释了其扭转振动和动力屈曲等问题.     

大型柔性天线运动对中继卫星姿态影响的分析

以跟踪与数据中继卫星为分析对象,建立了整星多柔体系统动力学模型,分析了天线运动作用下,柔性天线和其它附件的综合作用对星本体姿态的影响.结果证明,在分析该中继卫星天线运动对星体姿态影响时,天线的柔性对星体姿态影响很小,在星体姿态控制规律设计中可以忽略,并分析了这种现象产生的原因.     

一种含间隙的柔性并联机构动力学仿真

运动副间隙和杆件柔性关乎机构动态特性及精度。以3-RSR并联式天线机构为研究对象,基于ADAMS软件建立其含间隙动力学模型,并考虑杆件柔性进行含间隙并联机构动力学仿真与偏差分析。通过对比分析仅考虑转动副间隙时不同间隙尺寸大小、单间隙、双间隙与三间隙下的仿真变化曲线,以及仅考虑杆件柔性时仿真变化曲线,分别获得转动副间隙与杆件柔性对机构偏差的影响规律,进一步分析得到不同杆件材料下综合考虑转动副间隙和杆件柔性对机构偏差的影响规律,以分析对并联式天线机构运动性能和稳定性的影响。研究工作对综合考虑运动副间隙和杆件柔性时并联式天线机构动态特性的研究及其设计具有一定的指导意义。     

含复合材料结构的非黏结柔性立管弯曲特性

非黏结柔性立管常用于将海底油气资源输送到平台,有时因设计需要会包含复合材料圆柱壳层结构.以一类8层的非黏结柔性立管为研究对象,分析了含有复合材料圆柱壳层结构的非黏结柔性立管的弯曲特性.提出了一种作用于非黏结柔性立管的轴对称载荷和弯曲载荷联合作用的理论模型,同时建立了计及详细几何特性的非黏结柔性立管数值模型进行了验证.分析了两种典型复合材料及其纤维体积分数对非黏结柔性立管弯曲特性的影响.理论与数值结果吻合较好,计算结果表明：非黏结柔性立管的弯曲特性受复合材料圆柱壳层轴向弹性模量影响较大,轴向弹性模量较大的复合材料会较大地增强完全滑移阶段的非黏结柔性立管的弯曲刚度.非黏结柔性立管的轴向抗拉刚度和完全滑移阶段的弯曲刚度都随着复合材料圆柱壳层的纤维体积分数增大,接近线性增强.     

大型空间柔性组合航天器动力学建模与控制

航天器在轨组装制造和在轨服务维护任务中,捕获航天器通过空间机械臂捕获目标航天器后,整个系统构成一个大型空间柔性组合航天器.本文首先建立了综合考虑机械臂关节、臂杆和航天器太阳翼等柔性部件振动影响的组合航天器动力学模型,采用非线性扭簧模型描述柔性关节,采用假设模态法和有限元法描述柔性臂杆和太阳翼,通过动量守恒和拉格朗日方法推导了柔性组合航天器的动力学方程.然后设计了柔性组合航天器轨迹跟踪与振动抑制复合控制系统,采用奇异摄动方法对组合航天器动力学模型进行了降阶分解,在快慢两种不同时间尺度内分别独立设计了控制器.最后通过数值仿真验证了建模和控制方法的有效性.仿真结果表明,本文所建动力学模型精确有效,能够准确反映柔性组合航天器的运动学和动力学特性;复合控制方法能够保证组合航天器在实现机械臂精确轨迹跟踪控制的同时有效抑制柔性部件振动,具有工程实用性.     

RHS技术在舰载天线优化布局中的应用

针对舰载通信天线布置特性,综合应用典型启发式随机搜索技术(RHS)和数值仿真技术,对传统天线布局方法进行改进.以遗传算法为例,建立其与舰载天线优化布局的两类对应关系:天线优化布置参数与遗传算法特征值的关系;天线优化布置操作与遗传算子的关系.通过矩量法、多目标优化算法和权重系数变化法,对天线优化布局问题进行量化分析,解决了多参数协调控制复杂平台天线优化布局问题.在此基础上构造了一个具有理想导电面的舰船平台,以具体实例验证了理论模型的正确性.最终数值计算结果和试验结果符合较好,表明采用RHS技术获取的天线布局方案优于传统的天线布局方法,且可兼顾精度和效率.     

含区间铰间隙柔性机械臂控制精度分析

为了分析大变形、间隙碰撞和不确定性对机械臂动力学特性和控制精度的影响,提出了含区间铰间隙的柔性机械臂动力学建模方法和该动力学模型的求解方法.模型中采用绝对节点坐标法对柔性部件进行动力学建模,采用混合碰撞力模型和Ambrósio摩擦力模型建立关节铰间隙,并且采用区间变量描述间隙尺寸和部件杨氏模量.通过数值仿真分析表明:部件柔性和间隙会显著地影响机械臂动力学特性和控制精度,而且随着部件弹性模量减小、间隙尺寸增大,影响将更加显著;考虑不确定性时,机械臂的控制精度将降低,而且参数不确定性会显著影响该机械臂的动力学特性.