超大型挠性卫星多场耦合动力学建模

摘要

随着现代空间技术的不断发展和应用，空间任务复杂多样，为此航天器需要携带的有效载荷也更多更大，航天器大型化是现代航天技术发展趋势之一。超大型航天器的动力学特性不同于以刚体或准刚体为模型的小型航天器，呈现出轻质、低频、密模、弱阻尼等特性，并且空间环境复杂多变，航天器所受辐射热流场、温度场和结构位移场之间存在着复杂的耦合关系。本文主要研究了以下几个方面:
　　研究了卫星在轨运行期间空间热流的变化情况，应用有限元法建立了超大型卫星的热-结构耦合动力学模型。考虑到结构变形所引起的空间热流改变量极小，利用有限元分析软件Ansys WorkBench采用顺序耦合的方式对超大型卫星进行了稳态热分析和热变形分析。针对高、圆轨道卫星进、出地球阴影区，对热流突变所引起的温度场变化和热振动进行了仿真分析。
　　研究了挠性附件振动对卫星本体姿态的影响。基于动量定理、角动量定理和拉格朗日方程建立了刚挠耦合航天器动力学模型，利用有限元软件获取相关参数来求解平动、转动耦合系数矩阵，并仿真分析超大型挠性附件前6阶模态振动对卫星本体姿态的影响。
　　研究了压电作动器对结构振动进行主动控制。利用压电陶瓷作为作动器，在其作动原理的基础上应用有限元法建立了压电作动器机电耦合动力学模型。基于基本蚁群算法对压电作动器的位置布置进行了优化，考虑到控制效果和卫星上能源的有限性，采用线性二次型最优控制对结构振动进行主动控制，并且仿真分析了结构受初始位移扰动的振动主动控制，对比了作动器优化前后的控制效果与能源消耗。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究背景、目的和意义

1．2国内外研究现状分析

1．2．1大型挠性卫星研究现状

1．2．2天线热-结构耦合动力学分析

1．2．3挠性航天器动力学建模

1．2．4压电作动器动力学与控制

1．3主要研究内容及论文结构

2．1引言

2．2空间环境

2．3轨道计算

2．3．1轨道六根数

2．3．2太阳光与地球和卫星的几何关系

2．3．3轨道阴影区域

2．4热流计算

2．4．1仿真算例

2．5超大型空间结构的热-结构耦合关系

2．5．1广义耦合

2．5．2边界耦合关系

2．6本章小结

第3章挠性附件热-结构耦合动力学建模

3．1引言

3．2温度场的有限元方程

3．2．1杆单元辐射-导热有限元模型

3．2．2板单元辐射-导热有限元模型

3．3热-结构动力学耦合的有限元方程

3．3．1杆、板单元相关矩阵

3．4耦合方式

3．5仿真算例

3．5．1天线的稳态热变形分析

3．5．2天线热-结构动力学分析

3．6本章小结

第4章刚挠耦合动力学建模

4．1引言

4．2挠性航天器动力学建模

4．2．1卫星本体-挠性附件的平动耦合

4．2．2卫星本体-挠性附件的转动耦合

4．2．3挠性附件的振动方程

4．3参数求解

4．4耦合特性分析

4．5本章小结

第5章压电作动器耦合场建模

5．1引言

5．2压电作动器建模

5．2．1作动原理

5．2．2杆的压电作动器设计

5．3压电作动器机电耦合动力学建模

5．3．1杆的压电作动器机电耦合动力学模型

5．4基于蚁群算法的压电作动器位置优化

5．4．1作动器位置优化准则

5．4．2基本蚁群算法的原理

5．4．3作动器位置优化仿真

5．5线性二次型最优控制

5．5．1桁架压电主动杆最优控制仿真

5．5．2压电陶瓷模型仿真

5．6本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢