基于Volterra级数理论的整星隔振系统非线性特性研究

摘要

随着航天技术的发展，人类并不满足于在太空作短暂的旅游，越来越多的卫星、空间站等新航天器不断被送入太空。航天器在发射过程中经历着复杂严酷的动力学环境。同时，为了有效传递运载火箭的推力，传统的星箭连接结构采用刚度很大的锥壳适配器，这就导致卫星受到多种低中高频的振动和冲击载荷的作用。剧烈的振动会造成卫星结构疲劳破坏、敏感元件失效。为了减少或抑制这些载荷对卫星及其部件的作用，国内外航天界通常采用加固卫星结构或对性能指标达不到要求的部件进行单独隔振。但是，这些措施会增加卫星的无用质量并挤占运载器有限的发射重量和空间。二十世纪九十年代提出的整星隔振思想为降低运载火箭传递到卫星上的各种振动和冲击载荷提供了高效适用的方法。
　　本文对提出的粘弹性约束阻尼桁架整星被动隔振器及基于 Volterra泛函级数理论对整星隔振系统的非线性特性作了深入、系统的研究。本文主要研究了以下几个方面的内容：
　　针对传统的有效载荷适配器，提出了替代式粘弹性约束阻尼桁架隔振器。研究了整星隔振器中粘弹性阻尼结构的动态行为，并设计了粘弹性材料性能测试装置。通过实验对模型参数进行了辨识，讨论了阻尼结构刚度随频率和阻尼面积的变化规律，为基于粘弹性材料的粘弹性约束阻尼桁架隔振器的研究奠定了基础。
　　基于Volterra泛函级数理论，以本文所研究隔振器的实际模型参数为基础，对具有刚度非线性特征的非线性系统的五阶广义频率响应函数进行了推导，并分析了其频响特性。在不同输入激励下，对非线性系统的输出频率响应特性进行了研究，并将用 Volterra泛函级数方法得到的响应特性与谐波平衡法进行了比较，验证了理论分析结果的正确性。
　　利用输出频率响应函数对基础位移激励下，具有刚度非线性和阻尼非线性的非线性隔振系统的相对位移输出响应进行了研究，分析了非线性阻尼参数对输出响应的影响，并基于 Volterra泛函级数理论对这一结果给出了理论上的证明。在此基础上，分析了非线性刚度参数和非线性阻尼参数在不同的频率范围对绝对位移传递率的影响。
　　建立了整星隔振系统的非线性动力学模型，在基础位移激励下，采用输出频率响应函数分析了一阶共振区和二阶共振区及其它非共振区系统的非线性表征参数对从隔振器底部到卫星的振动传递率的影响。基于改进的自适应蚁群算法对提出的粘弹性约束阻尼桁架隔振器进行了结构参数优化，并对隔振性能进行了有限元分析，同时对添加整星隔振平台的全箭动特性进行了仿真研究。
　　设计加工制造粘弹性约束阻尼桁架整星被动隔振平台，并对隔振平台原理性样机进行了实验研究。将仿真结果与实验结果对比，验证本文所提出的约束粘弹性阻尼桁架隔振平台的有效性，并通过实验分析了整星隔振系统非线性因素对输出响应和共振频率的影响，同时也验证了本文基于 Volterra泛函级数法理论分析的正确性。

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第1章 绪 论

1.1 课题来源及研究的目的和意义

1.2 整星隔振技术的国内外研究现状

1.3 Volterra级数理论的非线性系统研究现状

1.4 本文的主要研究内容

第2章 粘弹性阻尼结构的建模及参数识别研究

2.1 引言

2.2粘弹性材料的本构关系研究

2.3 粘弹性材料参数的影响

2.4 粘弹性阻尼结构参数的确定

2.5 本章小结

第3章 基于Volterra级数理论的非线性系统频响分析

3.1 引言

3.2 Volterra级数模型

3.3 非线性系统的Volterra级数模型

3.4 非线性系统输出响应与输入关系分析

3.5 本章小结

第4章 非线性特征参数对隔振性能的影响分析

4.1 引言

4.2 非线性参数对相对位移的影响

4.3 非线性特征参数对位移传递率的影响

4.4 其它非线性情况非线性参数提取算子的求取

4.5 本章小结

第5章 约束粘弹性阻尼桁架隔振系统的动力学分析

5.1 引言

5.2 整星隔振平台动力学模型

5.3 非线性参数对两自由度传递率的影响分析

5.4整星隔振平台隔振性能研究

5.5 星箭耦合系统动力学特性仿真研究

5.6 本章小结

第6章 整星粘弹性约束阻尼桁架隔振器实验研究

6.1 引言

6.2整星隔振平台样机性能实验研究

6.3仿真与实验结果对比分析

6.4 整星隔振平台非线性因素及分析

6.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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