飞轮轮体分析及振动放大抑制技术

摘要

随着中国航天事业逐步壮大和发展，对卫星稳定性和精度的姿态控制要求越来越高。我国在卫星高精度高稳定的控制技术刚刚起步，技术尚未成熟。飞轮是影响卫星高稳定性和高精度的重要部件，飞轮的高可靠性和长寿命对于卫星姿态控制有重要的意义。当卫星在发射阶段，飞轮系统会受到强大振动冲击力和加速度过载等非常严酷动力学环境会产生较大轮体结构挠性形变，需保证轮体不受损伤；当卫星在轨阶段，轮体结构弹性振动可能会产生较大的共振放大倍数，所以飞轮结构挠性形变对卫星高精度高稳定性姿态控制有一定影响，这对卫星姿态控制系统精度和稳定性具有重要意义。本论文研究轮体振动放大原理及其振动特性，为减小轮体振动采取以下两个措施：
　　a.轮体结构：基于结构动力学特性优化减小轮体整体振动；
　　b.振动抑制组件：基于动力吸振和粘弹性阻尼原理共振放大控制技术对轮体共振放大进行振动控制。
　　为分析振动抑制组件对轮体振动抑制情况，分别对轮体，轮体及其振动抑制组件进行模态测试，振动传递率测试，说明共振放大控制技术有效性，论文分为五章，主要内容如下：
　　第一章：介绍了研究背景及意义，飞轮系统概述和共振放大控制技术研究现状进行归纳和总结。
　　第二章：对轮体进行模态计算和测试。建立轮体及其轴承组件模型，对其进行模态分析，谐响应分析，正弦振动和随机振动分析来研究其振动放大原理及其振动特性。针对轮体共振放大倍数较大的问题，从结构设计方面来减小飞轮整体振动，提出一种以轮缘响应相对于基础激励输入的加速度传递率为优化目标，以轮体转动惯量、几何尺寸、结构强度和刚度、质量等为约束条件关于“工字型”截面轮辐、轮缘的几何尺寸结构参数优化方法。
　　第三章：为减小飞轮整体振动，设计的振动抑制组件基于动力吸振和粘弹性阻尼减振机理对轮体进行振动控制。建立振动抑制组件动力学模型，进行了模态参数分析，又建立轮体及其振动抑制组件动力学模型，进行了模态和谐响应参数分析。
　　第四章：根据设计的振动抑制组件，测试轮体，轮体及其振动抑制组件在固定边界条件下的模态特征和不同边界条件对模态结果的影响。对轮体，轮体及其振动抑制组件在固定边界条件下测试轮体相对于基础的振动加速度传递率，并分析不同材料垫片振动抑制组件对轮体振动控制情况和不同边界条件下轮体振动情况，验证了动力吸振和粘弹性阻尼振动抑制机理有效性。
　　第五章：对全文总结，主要创新，研究展望内容作出总结和概括。

目录

声明

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2飞轮系统概述

1.3共振放大控制技术研究现状

1.4论文主要研究内容

第二章 轮体动力学仿真及结构动力学特性优化

2.1引言

2.2轮体自由模态

2.3轮体及其轴承组件系统动力学分析

2.4轮体结构动力学特性优化

2.5本章小结

第三章 轮体振动控制技术研究

3.1引言

3.2轮体振动控制原理及其理论

3.3轮体及其振动抑制组件的振动抑制效果分析

3.4本章小结

第四章 轮体振动控制实验研究

4.1引言

4.2实验系统

4.3实验结果及分析

4.4本章小结

第五章 总结与展望

5.1全文总结

5.2主要创新

5.3研究展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的学术成果