自旋挠性航天器非约束模态动力学特性研究

在研究挠性航天器动力学问题时,关注的问题是挠性航天器系统的刚柔耦合作用问题,即航天器挠性附件的振动可能会造成航天器运动失稳。针对中心刚体-双侧大挠性结构的自旋航天器,提出了航天器帆板结构的梁式简化模型,建立了一种非约束模态动力学模型。本研究考虑受到万有引力作用,探讨自旋挠性航天器非约束模态的动力学建模及动态特性。首先利用欧拉方程和哈密顿原理建立了自旋挠性航天器动力学方程,方程解释了刚性模态和弹性模态之间的耦合;然后进行了模态离散化,分别在约束模态和非约束模态下对特征值问题开展研究,对频率和相关振型进行了定量比较;最后进行了数值仿真,求解了自旋挠性航天器非约束模态特征值问题,比较约束模态与非约束模态之间的差异,并用有限元进行验证,得到了随着梁长度的增加,即刚柔惯量比、质量比的减小,非约束模态比约束模态更加准确的结论。     

航天器挠性梁伸展动力学特性数值分析

利用动量矩定理推导出带挠性伸展梁航天器的姿态动力学方程,推导了梁质量微元的动力学方程.在梁等速伸展的情况下对动力学方程进行变换,通过Runge-Kutta积分法得出了数值解.结果表明:梁等速伸展时,其振动的振幅随其长度的增长而增大;随航天器初始姿态角速率的增大而增大;随伸展速率的增大     

航天器挠性梁伸展动力学特性数值分析

利用动量矩定理推导出带挠性伸展梁航天器的姿态动力学方程,推导了梁质量微元的动力学方程．在梁等速伸展的情况下对动力学方程进行变换,通过Runge-Kutta积分法得出了数值解．结果表明梁等速伸展时,其振动的振幅随其长度的增长而增大;随航天器初始姿态角速率的增大而增大;随伸展速率的增大     

非理想,非完整约束轮对动力学

推导了铁道车辆轮轨接触的非完整约束方程,考虑动坐标系产生的惯性力和轮对转子的陀螺力矩效应,用绝对坐标法建立了任意曲线轨道动坐标系下轮对的动力学方程,通过迭代Ｌａｇｒａｎｇｅ乘子同时得到接触点法向力（理想约束反力）和蠕滑力（非理想约束反力）针对两点接触引起的数值积分不稳定,提出了等铲一点接触模型,最后通过验算了Ｐａｓｃａｌ考题和仿真自由轮对的蛇行运动,验证了本文轮轨模型的正确性,为开发通用车辆动力学     

挠性航天器太阳翼全局模态动力学建模与实验研究

现代柔性航天器通常安装有大型太阳翼为其在轨运行提供所需动力. 航天器入轨后太阳翼展开并锁定成为铰链连接多板结构, 此类结构质量轻、跨度大、刚度低的特点使其低频振动和非线性振动问题越来越凸显. 分析和处理此类结构出现的复杂振动问题的关键在于建立系统精确的非线性动力学模型. 为此, 本文提出铰链连接多板结构解析全局模态的提取方法, 获取太阳翼的固有频率和解析函数表征的全局模态. 提出可变刚度的扭转弹簧等效模型, 考虑铰链非线性刚度及摩擦力矩等因素, 通过全局模态离散得到系统的低维高精度非线性动力学模型, 研究了太阳翼在周期激励作用下的非线性特性. 开展太阳翼地面振动实验研究, 采用锤击法获取系统模态, 利用振动台施加正弦扫频激励, 将物理实验结果与理论结果进行对比, 从而验证全局模态动力学建模方法的合理性与准确性. 结果表明, 铰链刚度等结构参数对系统固有特性的影响较大, 铰链的存在会使太阳翼的动态响应出现跳跃等非线性现象. 全局模态动力学建模方法能很好地解决多板结构在非经典边界下解析全局模态求解的困难, 系统全局模态反映的是系统各个部件弹性振动的真实模态, 所建立的动力学模型具有低维高精度的特点, 对于复杂组合结构非线性动力学建模具有重要的参考价值.      

万有引力场中带挠性板非轴对称航天器的姿态稳定性

本文讨论由非轴对称主刚体和矩形挠性板组成的航天器在万有引力场中的姿态运动。利用Ｇａｌｅｒｋｉｎ方法对动力学方程离散化，并利用Ｋｅｌｖｉｎ－Ｔａｉｔ－Ｃｈｅｔａｙｅｖ定理判断航天器在轨道坐标系内相对平衡的稳定性。导出适用于任意阶模态的解析形式稳定性充分条件。     

基于Logistic插值模型的约束阻尼结构拓扑动力学优化

建立阻尼板有限元动力学方程,求解模态损耗因子算式。构建以模态损耗因子倒数为目标函数,以阻尼单元相对密度为拓扑变量,以阻尼材料用量及频率为约束的优化模型,采用优化准则法解算该模型。运用序列凸规划法构造目标函数的凸性逼近函数而对准则法进行改进,基于SIMP(SolidIstropicMaterialwithPenalization)和RAMP(RationalApproximationofMaterial Properties)材料插值模型推导出逼近函数对于拓扑变量的灵敏度,从而实现了两种插值模型下的改进准则法(OC),并验证了改进法具有全域性优化特性。针对这两种插值模型在对阻尼单元的密度进行惩罚时存在偏惠性问题,结合Logistic(LOGS)函数的几何特征,提出可以对单元密度范围进行选择性惩罚的LOGS模型,编程实现了基于LOGS插值的改进准则法。研究表明:LOGS模型比SIMP和RAMP具有更佳的单元惩罚特性,能更均衡地将单元中间密度惩罚至0或1,从而能得到更具全域性、减振效果更佳、更便于实施的阻尼与约束层优化构型。     

航天器动力学与控制的研究进展与展望

开展航天器动力学与控制的研究在航天技术的发展中起到举足轻重的作用, 其目的在于发展有效的方法促使航天器在各阶段平稳可靠地运行. 航天器技术发展迅速, 其形式日趋多样化, 功能与构造日趋复杂,已经向大型空间站、微小卫星、深空探测等方向发展. 航天器结构表现出多耦合、非线性、极端外界环境, 以及大尺度柔性结构等特征, 由此激发起航天器动力学与控制领域各方向的深入研究. 航天器动力学与控制的研究方法覆盖理论分析、数值仿真, 以及实验模拟等诸多方面, 研究内容十分丰富. 本文概括介绍了近年来航天器动力学与控制研究方面的发展状况, 综述了跨航天器动力学与控制、航天器系统级动力学与振动控制、航天器部件级动力学与振动控制等航天领域中的若干基础问题. 内容主要集中于航天领域中不同应用范围、不同层次结构的航天器动力学模型的建立和动力学响应与振动控制的研究方法及已取得的成果. 最后, 提出了该领域中值得进一步考虑的科学问题及未来的发展方向.      

挠性边界圆薄板的半解析模态分析

圆薄板控制方程复杂、边界挠性不易描述,边界挠性对圆薄板动态特性的影响规律研究尚不充分。本文采用Hamilton变分原理建立了挠性边界圆薄板的动力学方程;采用Fourier级数描述边界挠性,应用Galerkin方法对其简化;利用小参数摄动分析获得了挠性边界圆薄板固有频率的半解析式。本文给出的圆薄板固有频率半解析结果表明:边界挠性可使圆板固有频率降低;挠性参数的均值对固有频率的影响最大。本文研究可为圆薄板边界的模拟设计提供参考。     

力学复合环境下挠性陀螺仪的动力学分析

为研究分析挠性陀螺仪在过载振动复合环境下附加误差形成的机理和建立误差补偿模型,从结构分析入手,采用有限元分析软件ANSYS建立陀螺仪的实体模型和有限元模型,计算陀螺仪的章动频率,并与实验测量值进行比较,验证了模型的正确性;对挠性陀螺仪在过载-振动复合环境中的动力学特性进行分析研究,得到了各节点轴向位移,结合施加的载荷即可以计算得到陀螺仪的漂移角速度;同时通过模态分析计算得到陀螺仪的固有频率及相应振型.     

UNCONSTRAINED MODAL ANALYSIS OF DYNAMIC MODEL OF FLEXIBLE SPACECRAFT$^{\bf 1)}$

挠性航天器动力学建模中的挠性耦合影响系数是动力学建模中的重要力学概念,它反映了航天器姿态和轨道运动与挠性附件的弹性振动效应. 挠性耦合影响系数间的恒等式关系,即惯性完备性准则,是挠性航天器动力学模型降阶和模态截断的重要依据. 以中心刚体带挠性附件航天器为研究对象,采用约束模态和非约束模态法描述挠性附件结构变形,利用欧拉-拉格朗日方程建立挠性航天器的动力学模型. 基于 Hughes 的研究成果,对挠性航天器的非约束模态恒等式及其用于动力学模型降阶的惯性完备性准则进行了证明和应用研究. 探讨了两种动力学模型惯量间的关系,并利用约束模态惯性完备性准则,推导了非约束模态惯性完备性准则. 最后,对中心刚体带双侧太阳帆板和带单侧太阳帆板构成的挠性航天器模型进行数值仿真计算,求出挠性附件非约束模态平动耦合系数,分析了非约束模态特征值和平动耦合系数随着刚柔质量比的变化情况,并尝试用非约束模态惯性完备性准则的质量特征恒等式对挠性航天器模型进行了检验.     

柔性体的刚-柔耦合动力学分析

对柔性梁的刚-柔耦合动力学特性进行分析.从连续介质力学理论出发,在纵向变形位移中计及了耦合变形量,用Jourdain速度变分原理导出了柔性梁的刚-柔耦合动力学方程.定量地研究了非惯性系下柔性梁的动力学性质,比较了在不同转速下零次近似模型和耦合模型的振动频率的差异.为了确定零次近似模型的适用范围,引入与转速和基点加速度有关的相关系数,提出了零次近似模型的适用判据为相关系数小于0.1.在此基础上,进一步研究在大范围运动是自由的情况下柔性梁的大范围运动和变形运动的耦合机理,计算了带平动刚体的柔性梁的大范围运动规律,揭示零次近似模型和耦合模型的刚-柔耦合动力学性质的根本差异.     

柔性长鳍波动推进动力学分析

以基于柔性长鳍波动推进的仿生水下机器人试验模型为背景,研究了“尼罗河魔鬼”柔性长鳍的波动推进动力学原理．首先基于鳍条正弦摆动的假设,建立了鳍面波动曲面模型,然后根据抗体理论的基本思想及修正后的流体假设分析了柔性长鳍波动的推力产生机理,并获得其动力学模型,最后通过仿真手段,得到了试验模型的仿生柔性长鳍鳍面波动引起的流体动力及力矩公式,为仿生水下机器人的动力学分析和控制系统设计提供了理论依据．     

机器人柔性手臂的动力学有限元分析

本文将弹性动力学虚功原理推广到机器人柔性动力学,建立了计及关节弹性和关节阻尼的柔性手臂有限元动力学模型,模型中包括了非线性刚体运动和弹性变形间的耦合。文中还导出了手臂参考坐标系间的运动学递推关系。本文方法推演简单、计算效率高,能够用于具有任意复杂部件的柔性机器人动力学分析。     

航天器动力学模型试验验证技术研究进展

耦合载荷分析是航天器研制过程中的一个重要环节, 能够为航天器结构设计, 地面验证试验条件制定以及批准型号发射提供重要依据, 而精确地得到试验验证的航天器动力学分析模型是开展耦合载荷分析的基础. 对于大型复杂航天器结构系统, 动力学模型的试验验证需要统筹安排初始建模、动力学试验、相关分析和模型修正等工作, 这是一项极具挑战的任务. 本文首先给出了结构动力学模型验证的基本流程, 然后重点讨论动力学试验, 相关分析与模型修正等关键技术, 最后结合工程实际的需求, 提出了今后航天器动力学模型试验验证技术研究的重点.      

流固耦合系统动力响应的模态分析理论

本文建立了流固耦合系统动力响应的模态分析理论.首先,从系统的位移-速度势型有限元方程出发,导出了一对具有三个实对称矩阵的广义特征值问题以及两者的相互关系.然后,建立了模态矢量之间的广义正交关系,并通过模态展开,获得了系统对外界激励的响应的封闭解.作为示例,最后给出了两个具体问题的解答.     

机器人粘弹性手臂的动力学有限元分析

本文用动力学虚功原理建立了一般粘弹性大阻尼结构机器人手臂的动力学有限元模型,该模型是时变的Voterra型微分积分方程。文中还提出了以结构动力学中响应计算的逐步积分法为基础的递推求解方法,从而解决了机器人粘弹性手臂动力学建模和分析的理论难题。