本文關鍵詞：帶多充液貯箱及機動柔性附件航天器耦合動力學研究

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【摘要】：航天器在進行軌道轉(zhuǎn)移、姿態(tài)調(diào)整、附件機動等過程中,將不可避免的會引起貯箱內(nèi)的液體晃動和柔性附件的振動,從而導致航天器系統(tǒng)產(chǎn)生剛-液耦合、剛-柔耦合及剛-液-柔耦合等復雜的耦合動力學效應,并對航天器姿態(tài)、軌道控制系統(tǒng)的控制精度產(chǎn)生較明顯的影響,甚至會出現(xiàn)航天器系統(tǒng)整體的失穩(wěn)。本文以此為研究背景,對在低重力環(huán)境下運行的攜帶有多個充液圓柱貯箱及機動柔性附件航天器的耦合動力學進行較系統(tǒng)的研究,具體工作如下:(1)考慮低重力環(huán)境下圓柱貯箱內(nèi)由于表面張力影響而呈現(xiàn)彎曲自由液面的情況,利用Fourier-Bessel級數(shù)對貯箱分別受橫向激勵和俯仰激勵時的自由液面處的邊界條件進行展開,分別得到相應的液體晃動系統(tǒng)的廣義狀態(tài)方程,給出了固有頻率、晃動波高、晃動力和晃動力矩等晃動特性的計算公式,得到分析低重力環(huán)境下圓柱貯箱內(nèi)液體晃動特性的一種新半解析法。通過數(shù)值算例仿真,具體研究了各晃動特性隨充液深度、外激勵頻率和邦德數(shù)等參數(shù)變化的規(guī)律,同時驗證了文中方法的收斂性、可行性和準確性。(2)推導了帶多充液圓柱貯箱剛性航天器中貯箱內(nèi)任意點的牽連運動方程,根據(jù)壁面邊界條件給出了貯箱內(nèi)液體牽連晃動勢的表達式;建立以液體相對晃動勢的模態(tài)坐標和晃動波高的模態(tài)坐標為狀態(tài)向量的液體晃動動力學狀態(tài)方程。運用準坐標系下的拉格朗日方程建立以航天器主剛體姿態(tài)坐標和軌道坐標為狀態(tài)向量的剛體運動動力學方程,進一步聯(lián)立上述動力學方程得到航天器整體系統(tǒng)的剛-液耦合動力學狀態(tài)方程,較系統(tǒng)的建立了帶多充液圓柱貯箱航天器剛-液耦合分析的一種新的模塊化計算體系,并編制出相應的模塊化計算程序。通過計算實例驗證所編程序準確性的同時,具體研究了貯箱布局、燃料不均勻消耗、外激勵形式等對航天器動力學特性的影響。(3)通過將附件本體坐標系的工作面建立在附件機動面上,得到本體坐標系與主體坐標系之間坐標轉(zhuǎn)換角的較簡潔的表達式;基于伯努利-歐拉梁理論,建立三維機動柔性附件的動力學模型;依據(jù)達朗伯原理,對梁中三軸向的慣性力和力矩對空間位置進行積分,得到航天器主體與柔性附件之間的相互作用內(nèi)力表達式,并運用準坐標系下的拉格朗日方程,建立了帶多柔性附件航天器的剛-柔耦合動力學狀態(tài)方程。通過將數(shù)值計算結(jié)果與文獻結(jié)果對比,驗證了文中方法的正確性。(4)進一步運用具有統(tǒng)一形式的準坐標系下的拉格朗日方程建立了帶多充液圓柱貯箱及柔性附件航天器的耦合動力學狀態(tài)方程,編制相應的模塊化計算程序,得到適用于帶多充液圓柱貯箱及柔性附件航天器的剛-液-柔或剛-液-柔-控耦合系統(tǒng)動力學分析的完整計算體系和仿真平臺;通過具體算例仿真,研究了該類航天器在不同工況下的剛-液-柔耦合動力學性能。(5)基于輸入成型技術設計出了航天器姿、軌坐標追蹤控制的復合自適應終端滑模控制器;并通過數(shù)值算例,研究了帶充液圓柱貯箱航天器剛-液-控耦合系統(tǒng)的動力學特性。計算結(jié)果表明:常規(guī)的自適應終端滑�？刂破髂芰己玫膶崿F(xiàn)對帶單個充液圓柱貯箱航天器姿、道坐標參數(shù)的精確控制和貯箱內(nèi)的液體晃動的有效抑制;但當將該控制器應用于帶多充液貯箱的航天器上時,航天器系統(tǒng)的動力學性能卻表現(xiàn)出明顯的剛-液-控耦合共振現(xiàn)象,嚴重影響航天器姿、軌參數(shù)的控制精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性;而文中采用輸入成型技術對原控制器進行卷積后得到的復合控制器,不僅能有效避免該類剛-液-控耦合共振現(xiàn)象的出現(xiàn),也能使航天器姿態(tài)、軌道坐標得到精確控制。綜上所述,本文通過深入系統(tǒng)地研究,建立了帶多充液圓柱貯箱及柔性附件航天器耦合動力學分析的一種模塊化全模態(tài)計算體系,有效的避免了傳統(tǒng)方法中需將航天器中充液貯箱內(nèi)的液體晃動利用力學模型等效替代時所出現(xiàn)的問題或不足,為進一步開展相關研究打了重要的理論基礎。
【關鍵詞】：低重力環(huán)境 多充液貯箱航天器 準坐標系下的拉格朗日方程 耦合動力學分析 機動柔性附件 全模態(tài)計算體系
【學位授予單位】：北京理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：V414;V448.2
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-14
• 第1章 緒論14-23
• 1.1 研究背景和意義14-15
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢15-21
• 1.2.1 低重力環(huán)境下的液體晃動特性分析的研究進展15-18
• 1.2.2 帶充液貯箱航天器剛-液耦合動力學分析的研究進展18-19
• 1.2.3 帶柔性附件航天器的動力學建模及剛?cè)狁詈嫌嬎愕难芯窟M展19-21
• 1.3 擬采取的技術路線和研究內(nèi)容21-23
• 第2章 液體晃動分析的FOURIER-BESSEL級數(shù)展開法23-49
• 2.1 引言23
• 2.2 橫向激勵下晃動系統(tǒng)方程的推導和求解23-33
• 2.2.1 拉普拉斯方程和邊界條件的建立23-25
• 2.2.2 靜液面形狀的描述25-26
• 2.2.3 液體晃動動力學方程的線性化26-27
• 2.2.4 液體晃動勢的模態(tài)坐標27-30
• 2.2.5 液體橫向晃動動力學方程的級數(shù)展開30-32
• 2.2.6 固有頻率、晃動力和晃動力矩32-33
• 2.3 俯仰激勵下晃動系統(tǒng)方程的推導和求解33-38
• 2.3.1 邊界條件的建立33-35
• 2.3.2 俯仰晃動動力學方程的級數(shù)展開35-37
• 2.3.3 固有頻率、晃動力和晃動力矩37-38
• 2.4 算例仿真與分析38-48
• 2.4.1 橫向激勵下的液體晃動38-42
• 2.4.2 俯仰激勵下的液體晃動42-48
• 2.5 本章小結(jié)48-49
• 第3章 帶多充液圓柱貯箱航天器的剛-液耦合動力學建模與分析49-84
• 3.1 引言49
• 3.2 剛-液耦合系統(tǒng)狀態(tài)方程的建立49-62
• 3.2.1 充液航天器耦合晃動的計算模型49-50
• 3.2.2 牽連速度勢的形式50-52
• 3.2.3 耦合系統(tǒng)方程的級數(shù)展開52-58
• 3.2.4 晃動力和晃動力矩58-61
• 3.2.5 航天器主體的動力學狀態(tài)方程61
• 3.2.6 充液航天器全耦合系統(tǒng)的動力學狀態(tài)方程61-62
• 3.3 算例仿真與分析62-83
• 3.3.1 算例簡介62-63
• 3.3.2 燃料不均勻消耗對航天器性能的影響63-66
• 3.3.3 不同軌道驅(qū)動力對航天器性能的影響66-71
• 3.3.4 姿態(tài)不受控時的晃動勢模態(tài)分布仿真71-78
• 3.3.5 姿態(tài)受控時的晃動勢模態(tài)分布仿真78-83
• 3.4 本章小結(jié)83-84
• 第4章 帶機動柔性附件航天器的剛-柔耦合動力學建模與分析84-100
• 4.1 引言84
• 4.2 系統(tǒng)動力學方程的推導84-90
• 4.2.1 帶機動柔性附件航天器計算模型的建立84-86
• 4.2.2 機動柔性附件的偏微分方程86-87
• 4.2.3 機動柔性附件的模態(tài)坐標解法87
• 4.2.4 剛-柔耦合系統(tǒng)的動態(tài)內(nèi)力值87-88
• 4.2.5 主剛體動力學方程的建立88-89
• 4.2.6 剛-柔耦合系統(tǒng)動力學狀態(tài)方程的建立與計算89-90
• 4.3 算例仿真與分析90-98
• 4.3.1 算例 190-95
• 4.3.2 算例 295-98
• 4.4 本章小結(jié)98-100
• 第5章 帶多充液圓柱貯箱及可機動柔性附件航天器的剛-液-柔耦合動力學建模與分析100-116
• 5.1 引言100
• 5.2 耦合系統(tǒng)動力學分析100-102
• 5.2.1 主剛體動力學方程的建立100-101
• 5.2.2 耦合系統(tǒng)動力學狀態(tài)方程的建立101
• 5.2.3 耦合系統(tǒng)動力學計算的程序流程101-102
• 5.3 算例仿真與分析102-115
• 5.3.1 算例 1——帶多充液圓柱貯箱及柔性附件航天器耦合動力學分析102-107
• 5.3.2 算例 2——帶多充液圓柱貯箱及機動柔性附件航天器耦合動力學分析107-115
• 5.4 本章小結(jié)115-116
• 第6章 帶多充液圓柱貯箱航天器剛-液-控耦合動力學分析116-139
• 6.1 引言116
• 6.2 基本方程116-118
• 6.2.1 歐拉角與姿態(tài)四元數(shù)的關系式116-117
• 6.2.2 基本引理117-118
• 6.3 姿軌自適應終端滑�？刂破髟O計118-121
• 6.3.1 姿態(tài)穩(wěn)定的自適應終端滑�？刂破�118
• 6.3.2 軌道追蹤的自適應終端滑�？刂破�118-121
• 6.4 算例仿真與分析121-138
• 6.4.1 帶單個充液貯箱的航天器121-127
• 6.4.2 帶四個充液貯箱的航天器127-138
• 6.5 本章小結(jié)138-139
• 結(jié)論139-141
• 參考文獻141-149
• 攻讀學位期間發(fā)表論文與研究成果清單149-150
• 致謝150-151
• 作者簡介151

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 范紀華;章定國;;旋轉(zhuǎn)柔性懸臂梁動力學的Bezier插值離散方法研究[J];物理學報;2014年15期

2 楊旦旦;岳寶增;;低重環(huán)境下旋轉(zhuǎn)軸對稱貯箱內(nèi)液體晃動研究[J];宇航學報;2013年07期

3 包為民;;航天飛行器控制技術研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J];自動化學報;2013年06期

4 李青;王天舒;馬興瑞;;充液航天器液體晃動和液固耦合動力學的研究與應用[J];力學進展;2012年04期

5 黃文虎;曹登慶;韓增堯;;航天器動力學與控制的研究進展與展望[J];力學進展;2012年04期

6 方建士;章定國;;旋轉(zhuǎn)懸臂梁的剛?cè)狁詈蟿恿W建模與頻率分析[J];計算力學學報;2012年03期

7 ;Attitude maneuver of liquid-filled spacecraft with a flexible appendage by momentum wheel[J];Acta Mechanica Sinica;2012年02期

8 潘科琪;劉錦陽;;柔性曲梁多體系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和展望[J];力學進展;2011年06期

9 楊旦旦;岳寶增;祝樂梅;宋曉娟;;求Cassini貯箱內(nèi)液體小幅晃動頻率的解析方法[J];北京理工大學學報;2011年11期

10 楊旦旦;岳寶增;;求旋轉(zhuǎn)橢球形貯箱內(nèi)液體小幅晃動基頻的一種新方法[J];動力學與控制學報;2011年03期

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本文編號：724477