大型太阳帆板展开与对日定向过程碰撞动力学研究

摘要

随着航天事业的发展,卫星的经济性指标,尤其是对寿命的要求越来越高,我国航天已将航天器寿命分析及预测提上了日程。做为航天器重要的能源型附件,太阳帆板工作的可靠性、寿命直接关系到整个航天器的经济性。本文对太阳帆板在展开锁定以及对日定向过程碰撞动力学问题进行研究,针对帆板中容易遭受破坏的连接铰进行载荷分析,为其寿命设计及预测提供必要的力学依据。
　　首先,介绍太阳帆板主要展开形式,对目前太阳帆板出现的热点问题进行分析总结,概述太阳帆板展开及对日定向过程动力学的核心问题,即接触碰撞问题的发展及主要方法现状。从理论上总结、分析摩擦现象和摩擦力模型,针对课题采用的非线性弹簧阻尼模型,对模型中赫兹接触力项与穿透深度进行理论推导,从数学角度分析影响太阳帆板工作的主要因素。
　　其次,通过对帆板展开进行数学描述,采用非线性弹簧阻尼模型和修正库伦摩擦模型,建立帆板展开锁定的力学模型。基于虚拟样机技术,得到太阳帆板展开锁定机构的仿真模型,从影响展开锁定冲击力的主要因素——驱动力矩、动态等效刚度方面进行仿真,分析其对关键连部位铰冲击载荷的影响及规律。
　　进一步,通过对空间圆柱铰间隙的描述,得到旋转铰的力学模型,采用L-N碰撞模型,并依据空间铰几何关系建立碰撞状态识别判据,解决多状态碰撞问题,建立其动力学模型。对含铰间隙太阳帆板对日定向机构的虚拟样机,重点从铰间隙大小和定向速度两方面对定向碰撞过程进行仿真,分析其对关键铰冲击载荷的影响及规律。
　　最后,重点考虑太阳基板的柔性,采用综合模态法建立太阳帆板更精确的分析模型,分别对其在展开锁定和对日定向过程进行仿真,分析基板的柔性对关键部位铰的冲击载何以及本体姿位的影响。

目录

大型太阳帆板展开与对日定向过程碰撞动力学研究

DYNAMICS STUDY ON IMPACT FOR THELARGE-SCALE SOLAR ARRAY DURINGDEPLOYMENT AND SUN TRACKING PROCESS

摘 要

Abstract

目 录

第1 章 绪 论

1.1 课题来源

1.2 课题背景与意义

1.2.1 课题背景

1.2.2 目的和意义

1.2.3 太阳翼帆板主要形式

1.2.4 国内太阳帆板研究的热点问题

1.3 国内外研究现状

1.3.1 国外研究现状

1.3.2 国内研究现状

1.3.3 间隙铰研究现状

1.3.4 现状分析

1.4 主要内容

第2 章 摩擦与碰撞

2.1 摩擦

2.1.1 摩擦模型

2.1.2 摩擦模型的应用

2.2 碰撞模型

2.2.1 碰撞模型分类

2.2.2 Kelvin-Voigt 线性弹簧阻尼模型

2.2.3 非线性弹簧阻尼模型

2.3 参数的确定

2.3.1 赫兹接触理论

2.3.2 两圆柱外碰撞

2.3.3 穿透深度

2.4 含接触碰撞的系统动力学方程

2.5 本章小结

第3 章 太阳帆板展开锁定过程动力学分析

3.1 数学描述

3.2 太阳帆板展开锁定过程运动仿真

3.2.1 虚拟样机的建立

3.2.2 仿真结果

3.3 太阳帆板展开锁定过程动力学仿真

3.3.1 驱动力矩因素

3.3.2 等效刚度因素

3.4 本章小结

第4 章 太阳帆板对日定向过程动力学分析

4.1 空间圆柱铰模型

4.1.1 空间圆柱铰间隙描述

4.1.2 空间圆柱铰力学模型

4.1.3 运动模式识别

4.1.4 碰撞力模型

4.1.5 切向力模型

4.2 多体系统动力学方程的建立

4.3 仿真与分析

4.3.1 关键铰

4.3.2 驱动方式

4.3.3 仿真结果

4.4 本章小节

第5 章 柔性基板太阳帆板动力学分析

5.1 柔性体建模

5.2 蜂窝结构基板的等效计算

5.3 基板的模态分析

5.3.1 基板的有限元模型

5.3.2 基板的模态分析

5.4 柔性帆板展开锁定仿真

5.5 柔性帆板对日定向仿真

5.6 本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢

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