一类细长桁架式航天器动力学特性研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zyhui1984
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随着航天事业的发展和航天需求的不断提高,大型化和轻量化成为现代航天器发展的主要方向,大型空间桁架结构由于具有质量轻、可伸展、稳定性高等优点,在航天领域中得到了越来越广泛的应用。本文以带有大型桁架式天线结构的柔性航天器为研究对象,为实现对柔性航天器的精确动力学建模,本文提出了基于能量互等原理的等效建模方法,在此基础上对细长桁架式天线结构的力学性能进行了分析,最后建立了柔性航天器的刚柔耦合动力学模型。具体的研究内容如下:  针对细长桁架天线附件的周期性结构特征,提出了基于能量互等原理的等效梁模型建模方法,通过桁架周期单元与同等长度梁段的应变能和动能分别相等,推导出了等效梁模型的等效刚度参数、等效质量参数及相应的耦合参数,建立了细长空间桁架式天线结构的等效各向异性梁模型。  通过对等效梁模型和原桁架天线结构的动力学特性的对比分析,验证了等效方法的正确性和等效梁模型的可靠性。随后,对桁架结构固有频率的影响因素进行了分析,得到了提高细长桁架结构固有频率的有效措施。最后,在等效梁模型的基础上分析了桁架结构在几种典型激励下的动力学响应。  将带有细长桁架天线附件的柔性航天器简化为“中心刚体—柔性梁”模型,运用Hamilton原理建立了其单轴转动的刚柔耦合动力学方程。在线性化的耦合动力学方程的基础上,推导出了刚柔耦合模态的解析表达式。为便于分析耦合系统的动力学响应规律,分别用模态离散和有限元离散方法得到了耦合系统动力学方程的离散形式。对比分析了有限元离散模型和刚柔耦合模态解析方法计算得到的系统固有频率,通过对有限元法的收敛性分析验证了刚柔耦合模态解析方法的精确性。讨论了柔性航天器惯性特性对其固有特性的影响,得到了各阶固有频率随惯性特征量的变化规律。最后,研究了柔性航天器在阶跃控制力矩作用下的动力学响应规律。
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