【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(diǎn),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(yáng)帆板等。這一類結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)大型化和低剛度的特點(diǎn),其固有頻率往往數(shù)值低且分布密集。本文的研究對(duì)象薄膜天線結(jié)構(gòu),參考有限元軟件的計(jì)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(shí),即使微小的擾動(dòng)也會(huì)引起長(zhǎng)時(shí)間大幅度的振動(dòng),必須設(shè)計(jì)有效的振動(dòng)控制器來抵制干擾,確保其長(zhǎng)時(shí)間良好的工作狀態(tài)。結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)對(duì)其控制器的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。文中薄膜天線結(jié)構(gòu)薄膜陣面長(zhǎng)18.4m,寬4.5m,難以開展全尺寸的地面試驗(yàn)。另一方面,通過有限元建模計(jì)算其模態(tài)參數(shù)時(shí),由于必須進(jìn)行的簡(jiǎn)化和邊界條件的假設(shè),使得計(jì)算結(jié)果和實(shí)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(shí)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(shí)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(jià)值。本學(xué)位論文在上海市自然科學(xué)基金(16ZR1436200)的資助下,對(duì)薄膜天線結(jié)構(gòu)在軌辨識(shí)技術(shù)進(jìn)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(jì)算模態(tài)參數(shù)辨識(shí)所需的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)數(shù)據(jù),并對(duì)建立的有限元模型進(jìn)行了模態(tài)分析作為模態(tài)參數(shù)辨識(shí)的參照。(2)利用仿真計(jì)算的脈沖響應(yīng)數(shù)據(jù)和正弦激勵(lì)響應(yīng)數(shù)據(jù),分別采用頻域的辨識(shí)方法FFT和時(shí)域的辨識(shí)方法ERA辨識(shí)系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù),并對(duì)比辨識(shí)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(jìn)行辨識(shí)時(shí),首先利用優(yōu)化準(zhǔn)則和粒子群算法對(duì)測(cè)點(diǎn)的位置進(jìn)行了優(yōu)化。采用ERA方法進(jìn)行辨識(shí),當(dāng)輸入為正弦激勵(lì)時(shí),通過OKID方法計(jì)算系統(tǒng)的Markov參數(shù)。利用ERA方法對(duì)薄膜天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)參數(shù)辨識(shí)時(shí),由于需要對(duì)系統(tǒng)的階次進(jìn)行過估計(jì),因此會(huì)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(diǎn),因此如何有效剔除虛假模態(tài)是一大難點(diǎn),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(duì)象,開展模態(tài)參數(shù)辨識(shí)試驗(yàn),驗(yàn)證各理論方法的實(shí)際有效性。對(duì)框架施加掃頻激勵(lì)、正弦激勵(lì)、脈沖激勵(lì)和初始狀態(tài)四種激勵(lì)形式,采用了FFT、OKID和加速度格式的ERA方法辨識(shí)系統(tǒng)的固有頻率。針對(duì)由于實(shí)測(cè)信號(hào)夾雜噪聲干擾而導(dǎo)致辨識(shí)結(jié)果出現(xiàn)虛假頻率的情況,當(dāng)采用FFT方法辨識(shí)時(shí),通過消除趨勢(shì)項(xiàng)和平滑處理對(duì)輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。當(dāng)采用ERA方法辨識(shí)時(shí),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(jìn)入太空后通過展開裝置進(jìn)行展開，展開后往往有著巨大的外形尺寸，例如，美國(guó) AstroMesh 天線，口徑可達(dá) 25m[1]；日本 ETS-VIII 兩副大型展開式天線的長(zhǎng)度均為 19.2m，寬為 16.7m[2]，如圖 1-1 所示，ETS-VI 帆板展開后長(zhǎng)達(dá) 30m，，單個(gè)帆板長(zhǎng) 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(dòng)可能也會(huì)影響正常工作，甚至造成毀滅性的破壞。為了設(shè)計(jì)高精度可靠的振動(dòng)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(yàn)和將結(jié)構(gòu)離散化為有限元模型進(jìn)行分析計(jì)算。當(dāng)結(jié)構(gòu)尺寸巨大時(shí)往往難以開展地面試驗(yàn)，另外由于地面試驗(yàn)過程中空氣阻力和重力的影響，必然導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果和結(jié)構(gòu)實(shí)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(jiǎn)化和假設(shè)也會(huì)導(dǎo)致計(jì)算的模態(tài)參數(shù)和實(shí)際的模態(tài)參數(shù)有較大誤差。這種情況下，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外普遍采用的一條途徑是開展在軌辨識(shí)試驗(yàn)。通過航天結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的在軌辨識(shí)，不僅可以用于設(shè)計(jì)高效的控制器，也可以用于修正建立的航天結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，使其更能反映該航天結(jié)構(gòu)的真實(shí)的動(dòng)力學(xué)行為。

進(jìn)入太空后通過展開裝置進(jìn)行展開，展開后往往有著巨大的外形尺寸，例如，美國(guó) AstroMesh 天線，口徑可達(dá) 25m[1]；日本 ETS-VIII 兩副大型展開式天線的長(zhǎng)度均為 19.2m，寬為 16.7m[2]，如圖 1-1 所示，ETS-VI 帆板展開后長(zhǎng)達(dá) 30m，單個(gè)帆板長(zhǎng) 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(dòng)可能也會(huì)影響正常工作，甚至造成毀滅性的破壞。為了設(shè)計(jì)高精度可靠的振動(dòng)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(yàn)和將結(jié)構(gòu)離散化為有限元模型進(jìn)行分析計(jì)算。當(dāng)結(jié)構(gòu)尺寸巨大時(shí)往往難以開展地面試驗(yàn)，另外由于地面試驗(yàn)過程中空氣阻力和重力的影響，必然導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果和結(jié)構(gòu)實(shí)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(jiǎn)化和假設(shè)也會(huì)導(dǎo)致計(jì)算的模態(tài)參數(shù)和實(shí)際的模態(tài)參數(shù)有較大誤差。這種情況下，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外普遍采用的一條途徑是開展在軌辨識(shí)試驗(yàn)。通過航天結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的在軌辨識(shí)，不僅可以用于設(shè)計(jì)高效的控制器，也可以用于修正建立的航天結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，使其更能反映該航天結(jié)構(gòu)的真實(shí)的動(dòng)力學(xué)行為。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：V443.4

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2688967