【摘要】：大型薄膜結(jié)構(gòu)由于具有重量輕、收納率高、易展開和低成本等優(yōu)點,目前被航天領(lǐng)域廣泛應(yīng)用,比如大型的薄膜天線和太陽帆板等。這一類結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)大型化和低剛度的特點,其固有頻率往往數(shù)值低且分布密集。本文的研究對象薄膜天線結(jié)構(gòu),參考有限元軟件的計算結(jié)果,其前10階固有頻率分布在0.149Hz~0.620Hz之間,是極低密頻的結(jié)構(gòu)。因此當(dāng)其處于工作狀態(tài)時,即使微小的擾動也會引起長時間大幅度的振動,必須設(shè)計有效的振動控制器來抵制干擾,確保其長時間良好的工作狀態(tài)。結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)對其控制器的設(shè)計至關(guān)重要。文中薄膜天線結(jié)構(gòu)薄膜陣面長18.4m,寬4.5m,難以開展全尺寸的地面試驗。另一方面,通過有限元建模計算其模態(tài)參數(shù)時,由于必須進行的簡化和邊界條件的假設(shè),使得計算結(jié)果和實際的模態(tài)參數(shù)之間存在較大誤差。而通過模態(tài)參數(shù)的在軌辨識可以獲得更加精確可靠的結(jié)果。因此開展薄膜天線結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)在軌辨識的研究不但具有良好的科學(xué)意義,而且具有工程應(yīng)用價值。本學(xué)位論文在上海市自然科學(xué)基金(16ZR1436200)的資助下,對薄膜天線結(jié)構(gòu)在軌辨識技術(shù)進行研究,主要研究工作如下:(1)基于有限元軟件Abaqus建立了薄膜天線結(jié)構(gòu)的有限元模型,用于仿真計算模態(tài)參數(shù)辨識所需的動力學(xué)響應(yīng)數(shù)據(jù),并對建立的有限元模型進行了模態(tài)分析作為模態(tài)參數(shù)辨識的參照。(2)利用仿真計算的脈沖響應(yīng)數(shù)據(jù)和正弦激勵響應(yīng)數(shù)據(jù),分別采用頻域的辨識方法FFT和時域的辨識方法ERA辨識系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù),并對比辨識結(jié)果。文中分別采用了位移速度格式的ERA方法和加速度格式的ERA方法,采用加速度輸出進行辨識時,首先利用優(yōu)化準(zhǔn)則和粒子群算法對測點的位置進行了優(yōu)化。采用ERA方法進行辨識,當(dāng)輸入為正弦激勵時,通過OKID方法計算系統(tǒng)的Markov參數(shù)。利用ERA方法對薄膜天線結(jié)構(gòu)進行模態(tài)參數(shù)辨識時,由于需要對系統(tǒng)的階次進行過估計,因此會有大量的虛假模態(tài)出現(xiàn),另外薄膜天線結(jié)構(gòu)的固有頻率呈現(xiàn)低頻密集的特點,因此如何有效剔除虛假模態(tài)是一大難點,文中分別采用模態(tài)相位共線性法(MPC)、模態(tài)幅值相關(guān)系數(shù)法(MAC)和穩(wěn)定圖法來剔除虛假模態(tài)。(3)以薄膜天線結(jié)構(gòu)的縮比框架為研究對象,開展模態(tài)參數(shù)辨識試驗,驗證各理論方法的實際有效性。對框架施加掃頻激勵、正弦激勵、脈沖激勵和初始狀態(tài)四種激勵形式,采用了FFT、OKID和加速度格式的ERA方法辨識系統(tǒng)的固有頻率。針對由于實測信號夾雜噪聲干擾而導(dǎo)致辨識結(jié)果出現(xiàn)虛假頻率的情況,當(dāng)采用FFT方法辨識時,通過消除趨勢項和平滑處理對輸出數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。當(dāng)采用ERA方法辨識時,則分別應(yīng)用了穩(wěn)定圖法、MPC結(jié)合MAC剔除虛假模態(tài)。
【圖文】：

進入太空后通過展開裝置進行展開，展開后往往有著巨大的外形尺寸，例如，美國 AstroMesh 天線，口徑可達 25m[1]；日本 ETS-VIII 兩副大型展開式天線的長度均為 19.2m，寬為 16.7m[2]，如圖 1-1 所示，ETS-VI 帆板展開后長達 30m，，單個帆板長 14m[3]，如圖 1-2 所示。薄膜結(jié)構(gòu)的薄膜陣面本身不具有剛度，只有展開以后，通過拉伸裝置使膜面張緊才使其具有一定的剛度，但張緊后薄膜陣面的剛度值依然較小，即使微小的擾動可能也會影響正常工作，甚至造成毀滅性的破壞。為了設(shè)計高精度可靠的振動控制器，必須知道撓性結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。通常獲得模態(tài)參數(shù)的方法包括在地面開展結(jié)構(gòu)的模態(tài)試驗和將結(jié)構(gòu)離散化為有限元模型進行分析計算。當(dāng)結(jié)構(gòu)尺寸巨大時往往難以開展地面試驗，另外由于地面試驗過程中空氣阻力和重力的影響，必然導(dǎo)致試驗結(jié)果和結(jié)構(gòu)實際的模態(tài)參數(shù)之間存在較大誤差。而有限元分析過程中的簡化和假設(shè)也會導(dǎo)致計算的模態(tài)參數(shù)和實際的模態(tài)參數(shù)有較大誤差。這種情況下，現(xiàn)在國內(nèi)外普遍采用的一條途徑是開展在軌辨識試驗。通過航天結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的在軌辨識，不僅可以用于設(shè)計高效的控制器，也可以用于修正建立的航天結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型，使其更能反映該航天結(jié)構(gòu)的真實的動力學(xué)行為。

進入太空后通過展開裝置進行展開，展開后往往有著巨大的外形尺寸，例如，美國 AstroMesh 天線，口徑可達 25m[1]；日本 ETS-VIII 兩副大型展開式天線的長度均為 19.2m，寬為 16.7m[2]，如圖 1-1 所示，ETS-VI 帆板展開后長達 30m，單個帆板長 14m[3]，如圖 1-2 所示。薄膜結(jié)構(gòu)的薄膜陣面本身不具有剛度，只有展開以后，通過拉伸裝置使膜面張緊才使其具有一定的剛度，但張緊后薄膜陣面的剛度值依然較小，即使微小的擾動可能也會影響正常工作，甚至造成毀滅性的破壞。為了設(shè)計高精度可靠的振動控制器，必須知道撓性結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。通常獲得模態(tài)參數(shù)的方法包括在地面開展結(jié)構(gòu)的模態(tài)試驗和將結(jié)構(gòu)離散化為有限元模型進行分析計算。當(dāng)結(jié)構(gòu)尺寸巨大時往往難以開展地面試驗，另外由于地面試驗過程中空氣阻力和重力的影響，必然導(dǎo)致試驗結(jié)果和結(jié)構(gòu)實際的模態(tài)參數(shù)之間存在較大誤差。而有限元分析過程中的簡化和假設(shè)也會導(dǎo)致計算的模態(tài)參數(shù)和實際的模態(tài)參數(shù)有較大誤差。這種情況下，現(xiàn)在國內(nèi)外普遍采用的一條途徑是開展在軌辨識試驗。通過航天結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的在軌辨識，不僅可以用于設(shè)計高效的控制器，也可以用于修正建立的航天結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型，使其更能反映該航天結(jié)構(gòu)的真實的動力學(xué)行為。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：V443.4

【參考文獻】

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本文編號：2688967