杆状空间柔性展开机构展收动力学的时变建模与分析

大型空间可展机构是卫星天线和太阳翼的主要承力部件，是建造高分辨率对地观测卫星和空间站的关键部件。其在太空轨道，能否正常展开直接关系到巨额投资的飞行器任务的成败，故对其展开动力学的研究受到广泛关注。近年来，人们对柔性体的建模工作虽已取得很大成功，但用现有方法来建模大型复杂柔性展开机构时，引入的广义坐标数目多、求解时间长，以致对展开动力学内在特性的认识仍然十分匮乏。鉴于此，本课题重点开展了如下几项研究：（1）对绳索滑轮系统，提出了考虑摩擦的时变索建模方法，在相同的计算精度下大幅减少了计算广义坐标数，提高了计算效率。（2）开发了基于子结构建模的柔性多体系统动力学求解器及相应前后处理程序，大大简化了建模复杂系统的难度。（3）系统深入的分析了盘饶式杆状伸展臂的展开动力学特性，为我国空间站太阳翼的展开方案选型提供了重要的技术支持。（4）系统深入的分析了大型环形可展天线的展开动力学特性，获得了制约展开驱动力和部件载荷的核心因素，为我国首个大天线的设计提供了重要的理论支撑。（5）对环形天线的能效学分析指出，天线展开需要的驱动力是非线性的，初期小后期大，而传统驱动器提供的驱动力是线性的，初期大后期小。为此提出借助凸轮或非圆齿轮调制传统弹簧力输出曲线，使其更适合天线展开所需大的非线性力位移曲线。本课题发展的时变建模方法以及开发的动力学求解程序，亦可用于其他柔性系统仿真中，为科学研究和工程应用提供有力的建模方法和计算工具。提出了非线性驱动器也可用于其他工程系统中。 2100433B

杆状柔性空间展开机构作为卫星天线和太阳翼的主要承力部件，是建造高分辨率对地观测卫星和空间站的关键部件。其在太空轨道，能否正常展开和收拢直接关系到飞行器任务的成败，故对其展收动力学的研究受到广泛关注。近年来，人们对柔性体的建模工作已取得很大成功，但用现有非时变方法研究柔性展开机构引入自由度多、求解时间长，以致对展收过程的稳定性和可靠性等问题仍缺乏深入研究。鉴于此，本课题拟开展如下三项工作：(1)发展柔性多体系统的时变建模和数值求解方法，提高计算效率并研究展收组件几何和物理参量对展收可靠性的影响；(2)发展时变梁单元，研究展收过程的侧向和扭转稳定性；(3)针对几类杆状柔性展开机构研究其展收动力学特性，揭示机构设计关键。本项目研究结果有望应用于我国正在和即将研制的杆状柔性展开机构的设计中，所发展的时变建模方法亦可用于其他柔性系统仿真中，为科学研究和工程应用提供有力的建模方法和计算工具。

本项目以空间多铰折展机构为研究对象，系统的研究了铰链非线性力学特性、折展机构刚柔耦合系统动力学建模、空间环境热变形与热模态分析、展开精度建模与分析、样机研制与动力学实验等科学问题。按照项目预期目标圆满完成了全部工作内容。取得主要成果如下： （1）基于赫兹接触力分布和铰链接触几何约束条件，建立了高精度铰链非线性接触力学模型；建立了铰链非线性动刚度及阻尼模型，分析了铰链间隙、接触变形、振动幅值和振动频率等对刚度、阻尼特性、碰撞响应的影响；基于描述函数法对铰链四种不同非线性特性进行了建模与分析；考虑空间高低温环境，对铰链准静态、动力学特性进行了高温、低温试验测试，验证了理论模型的正确性。 （2）提出了铰链等效热力学建模方法，建立了空间折展机构热变形与热模态分析模型。结合热弹性力学、静力学、几何学以及物理学，推导了折展机构热变形方程，分析了折展机构在不同温度场下的热变形；分析了温度场、热应力对折展机构基频和模态的影响，以热变形最小，形面精度最高为目标对折展机构杆件热膨胀系数进行了优化。 （3）引入考虑多因素非线性铰链模型，建立了空间折展机构非线性多柔体系统动力学模型。分析了铰链刚度、阻尼、外部激励等对折展机构动力学响应的影响；提出了基于弹性波理论的折展机构等效动力学建模方法，分析了铰链非线性动力学响应；基于有限元分析了空间一维伸展臂、平面天线机构、空间曲面天线机构的动力学特性及铰链刚度对机构基频的影响。 （4）基于误差独立作用原理，利用微分法建立折展机构精度模型。研究了单闭环、双闭环机构在各个杆件参数误差影响下的展开位置变化，得出了在不同驱动方式下杆件位置与输入参数误差对应关系及适合机构的驱动方式；基于误差传递函数和干涉条件，建立了机构的精度分配准则，并进行杆件精度分配。 （5）研制了空间一维伸展臂、三维曲面天线机构样机及微重力模拟试验装置，搭建了动力学测试平台，进行了动力学实验。测试了一维伸展臂、三维曲面天线机构的基频。对空间折展桁架机构进行了非线性动力学特性测试，识别了铰链非线性特征，验证了理论模型的正确性。 本项目共发表论文24篇，其中SCI论文4篇、EI论文20篇，申请国家发明专利8项，已授权4项。培养青年骨干教师及博士后1名、博士生4名、硕士生6名。参加国际学术会议8次，出国进行学术交流1次。本项目研究所取得的成果可为空间多铰折展机构的航天工程应用提供支撑。 2100433B

空间多铰可折展机构广泛应用在载人航天、月球探测、空间站、对地观测等太空活动中。空间微重力、高低温、真空环境及铰链非线性力学行为对可折展式机构的折展运动学与动力学带来很大影响。而目前对考虑空间多场耦合作用下的空间可折展机构非线性动力学方面研究较少且不够深入。本项目以空间多铰可折展机构的航天应用为背景，重点研究以下内容：（1）考虑空间环境的影响，研究铰链结构中间隙、摩擦、预载荷、接触变形、微位移、粘滑之间的相互作用机理，建立间隙-摩擦铰的非线性等效弹簧-阻尼模型；（2）空间冷热交变环境下多铰可折展机构热变形、热振动分析；（3）建立多场耦合作用下空间多铰可折展机构非线性动力学模型，对可折展机构动力学特性进行分析。（4）基于动力学模型，对空间多铰可折展机构动态展开精度进行分析。（5）通过仿真分析与地面模拟实验验证理论模型的正确性和可行性，为空间多铰可折展机构的工程应用提供基础性理论依据和技术支持。

超大柔性空间结构的“超大”和“高柔性”特征给在轨动力学和控制带来了新的问题和挑战。本项目主要研究了超大柔性空间结构在轨动力学建模、响应特性分析、振动控制和形状控制问题，包括：（1）在超大柔性空间结构在轨动力学建模和机理分析方面，充分考虑重力梯度影响建立了千米量级哑铃模型的Hamilton体系的动力学模型；采用基于能量等效原理的连续体等效方法，建立了具有周期桁架结构空间太阳能电站的等效柔性梁模型；指出了重力梯度力矩经典近似模型的局限性并修正了近似模型；推导了Mathieu方程形式的模态振动方程，研究了不同初始姿态角下弯曲振动的稳定性。（2）在超大柔性空间结构在轨动力学特性分析方面，提出了Runge-Kutta 法和Newmark法同时迭代的高效数值方法，研究了太阳光压和热辐射等空间环境干扰下的在轨动力学响应特性，揭示了结构振动、姿态运动和轨道运动的耦合机理。研究发现，重力梯度力矩对姿态动力学影响显著，重力梯度力矩与结构尺寸的平方成正比。重力梯度使结构振动与姿态运动产生耦合，结构尺寸达到临界尺寸时系统出现不稳定现象。太阳光压主要影响轨道运动，对姿态运动和结构振动的影响在短期分析中可以忽略。热辐射主要影响结构振动，对轨道运动和姿态运动影响较小。（3）在大型柔性空间结构振动控制方面，发展了大型柔性空间结构转动惯量参数辨识方法研究，提出了基于摄影测量技术的结构动力学参数辨识方法，解决了大型柔性空间结构在轨动力学参数难以精确获取的问题，进而提出了大型柔性空间结构的分布式自适应模型预测振动控制方法，并发展了周期时变控制系统H2范数和Riccati微分方程的扩展精细积分算法，提高了鲁棒控制问题的求解精度和效率。（4）本项目还开展了大型空间智能结构高精度形状主动控制研究，提出了基于影响系数矩阵法的闭环反馈形面主动控制方法，搭建了格栅反射器形面主动控制实验验证系统，验证了形面主动控制方法的精度和有效性。 2100433B