薄膜天线航天器刚-柔-热耦合动力学建模与复合控制研究

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作者 陈呈 刘翔 《应用数学和力学》 北大核心 2025年第3期283-297,共15页

大型空间薄膜天线在深空探测、天基预警、对地观测等领域具有广阔的应用前景.由于薄膜天线具有大、轻、柔的显著特征,其动力学与控制问题十分复杂且突出.与此同时,由于天线工作性能的需求,天线在轨运行时必须保持极高的指向精度和形面精... 大型空间薄膜天线在深空探测、天基预警、对地观测等领域具有广阔的应用前景.由于薄膜天线具有大、轻、柔的显著特征,其动力学与控制问题十分复杂且突出.与此同时,由于天线工作性能的需求,天线在轨运行时必须保持极高的指向精度和形面精度.这就要求我们对薄膜航天器进行精细的动力学分析与有效的主动控制设计.该文针对一类平面张拉式薄膜天线进行刚-柔-热耦合动力学建模与复合控制问题的研究.首先,基于非线性有限元方法建立了薄膜天线结构的非线性动力学模型,并对该模型进行了模型降阶.然后,基于非线性降阶模型并考虑空间热环境的影响,采用混合坐标法建立了航天器的刚-柔-热耦合动力学模型.最后,采用合力合成控制方法结合拉索作动的非线性振动控制策略,对航天器的姿态运动和非线性振动进行了同步、复合控制. 展开更多

关键词 薄膜天线 刚-柔-热耦合动力学建模 非线性振动 复合控制

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低轨道下运行的卫星-太阳帆板系统的刚-柔-热耦合动力学建模 被引量：3

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作者 左亚帅 刘锦阳 《振动与冲击》 EI CSCD 北大核心 2017年第6期38-44,共7页

传统地考虑热效应的卫星-太阳帆板动力学模型只考虑太阳直接辐射热流的影响,仅适用于高轨道运行的航天器。以低轨道下运行的卫星-太阳帆板系统为研究对象,提出了一种通用的分析其在宇宙空间各种热流作用下刚-柔-热耦合动力学特性的建模... 传统地考虑热效应的卫星-太阳帆板动力学模型只考虑太阳直接辐射热流的影响,仅适用于高轨道运行的航天器。以低轨道下运行的卫星-太阳帆板系统为研究对象,提出了一种通用的分析其在宇宙空间各种热流作用下刚-柔-热耦合动力学特性的建模方法。考虑太阳帆板热变形、卫星的姿态运动和太阳帆板受到的各种辐射的热流密度之间的耦合关系,分别给出了太阳直接辐射热流、地球红外辐射热流以及地球反照辐射热流的计算公式。将系统视为中心刚体-悬臂梁模型,首先建立了悬臂梁的热传导方程,然后通过引入考虑热应变的应力-应变关系,用虚功原理建立了卫星-太阳帆板多体系统的考虑热效应的动力学方程,对热传导方程和动力学方程联立求解。对低轨道下运行的卫星-太阳帆板系统进行了数值仿真分析,分析了考虑地球红外辐射和地球反照辐射热流对热振动的影响,以及考虑刚-柔-热耦合效应对系统动力学特性的影响,并给出了系统热振动稳定时特征参数的范围。 展开更多

关键词 低轨道卫星-太阳帆板 刚-柔-热耦合动力学 热振动

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刚-柔耦合多体系统动力学建模与数值仿真 被引量：27

3

作者 杨辉 洪嘉振 余征跃 《计算力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2003年第4期402-408,共7页

柔性多体系统动力学传统的混合坐标建模方法忽略了变形位移的高次耦合变形量 ,是一种零次近似方法 [1 ] ,其适用范围受到限制。本文以中心刚体、柔性梁及末端质量组成的刚柔耦合系统为对象 ,考虑了有粘性阻尼及风阻的情况。在柔性梁的... 柔性多体系统动力学传统的混合坐标建模方法忽略了变形位移的高次耦合变形量 ,是一种零次近似方法 [1 ] ,其适用范围受到限制。本文以中心刚体、柔性梁及末端质量组成的刚柔耦合系统为对象 ,考虑了有粘性阻尼及风阻的情况。在柔性梁的纵向变形位移中计及了横向位移引起的轴向变形 ,并采用有限元方法和 Hamilton变分原理导出了系统的刚柔耦合一次近似的动力学方程。该方程充分计及了中心刚体的大范围运动与柔性梁的弹性变形运动的相互耦合 ,并采用一致的方法引入了阻尼因素。文中最后提供了一个比“动力刚化”问题更具有一般性的仿真计算反例 ,进一步说明了零次近似方法在处理某些刚 -柔耦合动力学问题时的缺陷 。 展开更多

关键词 刚-柔耦合 多体系统动力学 建模 数值仿真 数学模型 有限元法 风阻 有粘性阻尼

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刚-柔耦合动力学系统的建模理论研究 被引量：45

4

作者 刘锦阳 洪嘉振 《力学学报》 EI CSCD 北大核心 2002年第3期408-415,共8页

刚－柔耦合动力学系统的传统的混合坐标方法是零次近似方法,在建模过程中,直接套用的结构动力学的小变形假设,忽略了变形位移的高次耦合变形量．本文对柔性梁建立较零次近似更精确的高次耦合动力学模型,从连续介质力学理论出发,在变形... 刚－柔耦合动力学系统的传统的混合坐标方法是零次近似方法,在建模过程中,直接套用的结构动力学的小变形假设,忽略了变形位移的高次耦合变形量．本文对柔性梁建立较零次近似更精确的高次耦合动力学模型,从连续介质力学理论出发,在变形位移中,计及横向位移引起的轴向缩短,导出变形位移的二次耦合量．用一致质量有限元方法对梁进行离散,基于Jourdain速度变分原理导出大范围运动为自由的柔性梁的刚－柔耦合动力学方程．计算了柔性重力摆的角速度和摆端点的横向变形,揭示零次近似模型和耦合模型的刚－柔耦合动力学性质的根本差异． 展开更多

关键词 刚-柔耦合动力学系统 耦合变形量 建模理论 小变形 柔性梁 连续介质力学 有限元法 Jourdain速度变分原理 重力摆

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基于刚-柔混合建模的时变结构动力学分析 被引量：14

5

作者 黎业飞 邱清盈 冯培恩 《浙江大学学报（工学版）》 EI CAS CSCD 北大核心 2007年第2期311-314,共4页

为适应液压挖掘机高速、轻量化的要求,以具有时变固频特性的液压挖掘机工作装置为研究对象,提出了以角加速度判断时变结构的关键工况,利用刚性多体动力学和有限元方法对液压挖掘机在整个作业循环中的动力学特性进行建模和分析.分析了液... 为适应液压挖掘机高速、轻量化的要求,以具有时变固频特性的液压挖掘机工作装置为研究对象,提出了以角加速度判断时变结构的关键工况,利用刚性多体动力学和有限元方法对液压挖掘机在整个作业循环中的动力学特性进行建模和分析.分析了液压挖掘机工作装置在受力最大处的动态应力分布,并与传统刚性体模型的分析结果进行了比较.结果表明,刚-柔混合建模方法与刚性体建模方法相比,获得的位移和应力较小,反映出以往的设计偏于保守,为轻量化设计提供了依据. 展开更多

关键词 时变结构 液压挖掘机工作装置 柔体多体动力学 刚-柔混合建模

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6-PSS并联机构的刚-柔耦合动力学建模及仿真 被引量：4

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作者 邢迪雄 任志奇 赵路佳 《机床与液压》 北大核心 2018年第17期48-52,共5页

主要对一种新颖的6-PSS并联机构进行刚-柔耦合动力学建模以及仿真分析。并联机构主要包括动平台、静平台、定长杆、滑块和冗余容错驱动装置等。以此机构为研究对象进行运动学分析,得到逆运动学方程。首先利用有限元理论对柔性杆进行离... 主要对一种新颖的6-PSS并联机构进行刚-柔耦合动力学建模以及仿真分析。并联机构主要包括动平台、静平台、定长杆、滑块和冗余容错驱动装置等。以此机构为研究对象进行运动学分析,得到逆运动学方程。首先利用有限元理论对柔性杆进行离散处理,运用拉格朗日方程和动力学相关理论建立单元的弹性动力学方程及刚性子结构的动力学方程;推导出系统的弹性动力学方程。其次利用ADAMS软件和ANSYS软件建立6-PSS并联机构的刚-柔耦合体模型,对该模型进行仿真分析,与全刚体模型进行比较。仿真结果表明两类模型运动和受力曲线吻合,同时在短时间内,平台位置和受力误差趋于某一波动范围,模型各驱动力与系统负载相比较小;建立的刚-柔耦合体模型正确,机构的驱动性能较好。 展开更多

关键词 并联机构 动力学建模 刚-柔耦合 仿真分析

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热环境下大范围运动功能梯度薄板的刚-柔耦合动力学特性 被引量：4

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作者 王琳杰 黎亮 +1 位作者 章定国 钱震杰 《振动与冲击》 EI CSCD 北大核心 2019年第18期79-88,共10页

基于刚柔耦合动力学及热力学理论,运用第二类拉格朗日方程建立了温度场中做大范围运动FGM薄板的一次近似刚柔耦合模型。采用假设模态法对变形场进行离散并在变形能中计入热应变的影响。分析了不同温度环境和不同体积分数指数等因素对温... 基于刚柔耦合动力学及热力学理论,运用第二类拉格朗日方程建立了温度场中做大范围运动FGM薄板的一次近似刚柔耦合模型。采用假设模态法对变形场进行离散并在变形能中计入热应变的影响。分析了不同温度环境和不同体积分数指数等因素对温度场中做大范围运动FGM薄板动力学特性的影响。仿真结果表明:随着温度梯度增大FGM薄板振荡现象更加明显,随着体积分数增大FGM薄板振荡幅值与无量纲固有频率增大。 展开更多

关键词 功能梯度板 热效应 刚-柔耦合 动力学建模

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刚-柔-热耦合多体系统的动力学分析 被引量：5

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作者 王捷 刘锦阳 《应用力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2012年第5期501-507,624,共7页

本文研究了柔性多体系统刚-柔-热耦合动力学特性。以哈勃天文望远镜(HST)为研究对象,基于柔性多体系统动力学理论,考虑了柔性附件弹性变形引起的热辐射边界条件的变化,建立了中心刚体和太阳能毯柔性附件多体系统的刚-柔-热耦合的动力学... 本文研究了柔性多体系统刚-柔-热耦合动力学特性。以哈勃天文望远镜(HST)为研究对象,基于柔性多体系统动力学理论,考虑了柔性附件弹性变形引起的热辐射边界条件的变化,建立了中心刚体和太阳能毯柔性附件多体系统的刚-柔-热耦合的动力学方程。通过对热载荷作用下哈勃天文望远镜多体系统的数值仿真研究了热辐射角、阻尼系数、比热容、支撑梁、太阳能毯之间的轴向力等参数对于柔性附件热颤振的影响;并提出增加结构阻尼、减小支撑梁和太阳能毯之间的轴向力、选择阻尼系数和比热容均较大的支撑梁材料、采用柔度较大的主体桶材料等改善热颤振的措施。 展开更多

关键词 柔性多体系统 刚-柔-热耦合动力学 热颤振

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旋转刚-柔耦合系统动力学及热冲击响应分析 被引量：2

9

作者 魏麟欢 黄永安 邓子辰 《机械科学与技术》 CSCD 北大核心 2008年第10期1236-1241,共6页

利用FOAC模型理论,给出了大范围运动的大变形变截面柔性梁的位移描述,继而得到系统的机械能的高阶表述,然后基于广义Hamilton原理得到系统的动力学模型。系统模型考虑了柔性梁在不同方向的相互耦合影响,使得系统能够对较高速度的旋转刚... 利用FOAC模型理论,给出了大范围运动的大变形变截面柔性梁的位移描述,继而得到系统的机械能的高阶表述,然后基于广义Hamilton原理得到系统的动力学模型。系统模型考虑了柔性梁在不同方向的相互耦合影响,使得系统能够对较高速度的旋转刚柔耦合结构进行动力学仿真,避免了传统ZOAC模型对高速旋转柔性系统仿真结果发散的不足,从本质上分析了动力刚化作用。在此基础上,考虑热冲击对系统的动力学响应,包括梁两侧同等热冲击和不等温热冲击,为航天结构和热场环境救援机器人的动力学行为提供仿真模型。 展开更多

关键词 多体动力学 刚-柔耦合 HAMILTON原理 有限元 热-弹耦合

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一类刚-柔耦合系统的建模与稳定性研究 被引量：37

10

作者 肖世富 陈滨 《力学学报》 EI CSCD 北大核心 1997年第4期439-447,共9页

对于由中心刚体带有柔性梁附件组成的这一类简单刚柔耦合系统，目前文献广泛采用的ＥｕｌｅｒＢｅｒｎｏｕｌｉ梁模型中考虑的刚柔运动耦合项有严重的缺陷．本文对于物理本构关系线性的有限变形梁，分别采用微元法和变分法建立了... 对于由中心刚体带有柔性梁附件组成的这一类简单刚柔耦合系统，目前文献广泛采用的ＥｕｌｅｒＢｅｒｎｏｕｌｉ梁模型中考虑的刚柔运动耦合项有严重的缺陷．本文对于物理本构关系线性的有限变形梁，分别采用微元法和变分法建立了该系统大挠度非线性动力学方程组．本文使用严格的方法来研究此非线性耦合动力学模型，采用能量动量矩组合方法构成Ｌｉａｐｕｎｏｖ函数，严格证明了此非线性系统平凡解的积分范数稳定性以及具有鲜明物理意义的最大模范数稳定性．本文对文献中引用的三类线性化模型，采用假设模态法，对中心刚体匀速转动时梁的振动作了数值仿真，进一步验证了本文的结论．上述结果，对选择刚柔耦合系统正确的动力学模型是有益的． 展开更多

关键词 刚-柔耦合系统 E-B梁模型 建模 积分范数稳定性

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基于多体动力学的轮式悬架移动刚-柔并联机械手动力学性能研究 被引量：5

11

作者 杨玉维 刘振忠 +2 位作者 董黎敏 李扬民 袁旭 《高技术通讯》 CAS CSCD 北大核心 2014年第9期975-981,共7页

考虑到移动串联机械手不能很好地满足高速、大负载工况下准确作业的要求,提出了轮式悬架柔性移动并联机械手这一新的构型,并对其进行了动力学性能研究。基于多柔性体动力学,在笛卡尔坐标下构建了系统动力学模型,建模方法具有通用性与完... 考虑到移动串联机械手不能很好地满足高速、大负载工况下准确作业的要求,提出了轮式悬架柔性移动并联机械手这一新的构型,并对其进行了动力学性能研究。基于多柔性体动力学,在笛卡尔坐标下构建了系统动力学模型,建模方法具有通用性与完备性。在此基础上,分别针对串联、并联、刚性、柔性四类移动机械手的动力学模型进行了数值仿真,并对仿真结果进行了比较、分析,验证了建模方法的正确性并佐证了新构型移动机械手的动力学性能特点,提出了提高柔性并联机械手的工作速度、刚度和工作精度的技术方法,为后续控制算法的构建提供了理论基础。 展开更多

关键词 多体动力学 动力学建模 数值仿真 轮式悬架 刚-柔并联机械手

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大型可展开天线与卫星的热致耦合动力学分析 被引量：7

12

作者 杨癸庚 朱敏波 +2 位作者 连培园 高峰 宗亚雳 《振动与冲击》 EI CSCD 北大核心 2014年第24期173-178,191,共7页

以带有大型环形可展开天线的航天器为研究对象,采用有限元法,对大型可展开天线进行了在轨进出阴影区的瞬态温度求解;并基于卫星-天线刚柔耦合动力学模型,将时变温度场等效为时变热载荷加载到天线上,对整星系统的热致耦合动力学响应进行... 以带有大型环形可展开天线的航天器为研究对象,采用有限元法,对大型可展开天线进行了在轨进出阴影区的瞬态温度求解;并基于卫星-天线刚柔耦合动力学模型,将时变温度场等效为时变热载荷加载到天线上,对整星系统的热致耦合动力学响应进行了数值模拟。结果表明,天线进出阴影期间,自身温度梯度主要存在于迎光侧与背光侧之间,并基于此可估算出天线的热响应特征时间;时变热载荷会导致天线结构和卫星姿态发生明显的振动响应,天线结构振动响应主要集中在第一、二阶固有模态上,卫星则会发生低频姿态振荡运动;该方法可以合理地预测大型可展开天线系统的热致耦合动力学响应。 展开更多

关键词 可展开天线 热响应特征时间 卫星-天线刚柔耦合 热致耦合动力学

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航天刚-弹-液耦合系统的弹-液耦合研究 被引量：1

13

作者 梁立孚 郭庆勇 《北京航空航天大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第2期243-251,共9页

航天刚-弹-液耦合动力学中的弹-液耦合问题是关系到航天刚-弹-液耦合系统液固耦合机理研究和大规模液固耦合建模计算研究的重要课题。通过分析刚-弹-液耦合动力学拟变分原理的泛函,说明刚-弹-液耦合中的刚-弹耦合、刚-液耦合和弹-液耦... 航天刚-弹-液耦合动力学中的弹-液耦合问题是关系到航天刚-弹-液耦合系统液固耦合机理研究和大规模液固耦合建模计算研究的重要课题。通过分析刚-弹-液耦合动力学拟变分原理的泛函,说明刚-弹-液耦合中的刚-弹耦合、刚-液耦合和弹-液耦合的特点。应用Lagrange乘子法,将无际边界条件纳入泛函中,通过识别Lagrange乘子,逐步说明弹-液耦合的机理。通过对泛函求驻值发现,无际边界条件由原来的先决条件转化为驻值条件,实现了从协调元到杂交元的过渡。通过分析泛函识别Lagrange乘子前后的驻值条件,明确了识别La-grange乘子可以有效地减少计算自由度。 展开更多

关键词 航天充液系统 刚-弹-液耦合动力学 弹-液耦合机理 液固耦合建模 无际边界条件

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中心刚体_外Timoshenko梁系统的建模与分岔特性研究 被引量：7

14

作者 肖世富 陈滨 《应用数学和力学》 EI CSCD 北大核心 1999年第12期1286-1290,共5页

对于中心刚体固结悬臂梁系统，当不考虑梁剪应力（ 即Ｅｕｌｅｒ＿Ｂｅｒｎｏｕｌｌｉ 梁） 影响时，匀速转动梁的平凡解是稳定的·　而对于深梁，有必要考虑剪应力（ 即Ｔｉｍｏｓｈｅｎｋｏ 梁） 的影响，此时其匀速转动平凡解将... 对于中心刚体固结悬臂梁系统，当不考虑梁剪应力（ 即Ｅｕｌｅｒ＿Ｂｅｒｎｏｕｌｌｉ 梁） 影响时，匀速转动梁的平凡解是稳定的·　而对于深梁，有必要考虑剪应力（ 即Ｔｉｍｏｓｈｅｎｋｏ 梁） 的影响，此时其匀速转动平凡解将出现拉伸屈曲·　为此采用广义Ｈａｍｉｌｔｏｎ 变分原理建立了中心刚体固结Ｔｉｍｏｓｈｅｎｋｏ 梁这类刚＿柔耦合系统的非线性动力学模型，应用数值方法研究了匀速转动Ｔｉｍｏｓｈｅｎｋｏ 梁非线性系统的分岔特性。 展开更多

关键词 刚-柔耦合系统 建模 分岔 非线性动力学 剪应力

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挠性充液航天器复合自适应姿态机动控制 被引量：1

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作者 宋晓娟 李雪松 +1 位作者 何晓东 吕书锋 《空间控制技术与应用》 CSCD 北大核心 2023年第1期11-20,共10页

主要研究了刚-挠-液耦合航天器的大角度姿态机动问题.将液体燃料的晃动等效为二阶的弹簧质量模型,挠性帆板假设为欧拉-伯努利梁,考虑外部未知干扰力矩、系统的状态变量不可见以及姿态机动引起的液体晃动及挠性体振动的抑制问题,结合模... 主要研究了刚-挠-液耦合航天器的大角度姿态机动问题.将液体燃料的晃动等效为二阶的弹簧质量模型,挠性帆板假设为欧拉-伯努利梁,考虑外部未知干扰力矩、系统的状态变量不可见以及姿态机动引起的液体晃动及挠性体振动的抑制问题,结合模糊控制和输入成型技术,设计了一种基于Lyapunov第二法的自适应输出反馈复合控制方法.其中模糊控制器用于动态优化复合控制器内的参数,增强其鲁棒性;多模态的输入成型前馈控制器用于抑制液体晃动和挠性附件振动的位移响应.数值模拟给出了各状态变量的时间历程图,仿真结果显示复合控制器在实现姿态跟踪误差渐近收敛的前提下明显地减小了液体晃动及挠性附件振动的位移响应,验证了本方法的有效性. 展开更多

关键词 刚-挠-液耦合航天器 动力学建模 自适应控制 模糊控制 输入成型

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