本文關(guān)鍵詞：復(fù)雜約束下的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與動力學(xué)仿真分析

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【摘要】：航天技術(shù)作為當(dāng)今世界最具帶動性與挑戰(zhàn)性的高科技領(lǐng)域之一,已經(jīng)成為國家綜合實(shí)力、國家命運(yùn)以及國家政治的重要性標(biāo)志。航天器是在地球大氣層以外對宇宙空間進(jìn)行探索、開發(fā)和利用等執(zhí)行特定空間任務(wù)的飛行器,航天器結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其結(jié)構(gòu)動力學(xué)仿真分析技術(shù)是非常重要的航天器技術(shù)問題之一,它們對保證空間科學(xué)探測任務(wù)成功實(shí)施具有很關(guān)鍵的作用。越來越受到重視的體積小、質(zhì)量輕、功能強(qiáng)、高可靠的集約型航天器,由于其設(shè)計(jì)約束嚴(yán)格,使得結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得十分困難,復(fù)雜約束條件下的航天器結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及相關(guān)的結(jié)構(gòu)動力學(xué)問題急需一套具體可行的設(shè)計(jì)方法予以指導(dǎo)。本文以DSL、分離載荷項(xiàng)目中的航天器結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為應(yīng)用背景,通過運(yùn)用“約束圍繞式”設(shè)計(jì)方法,對項(xiàng)目中主星、子星在復(fù)雜多約束條件下進(jìn)行了相關(guān)的結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與有限元仿真分析,得到了較為滿意的航天器整體結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的可行性與實(shí)用性;以方形太陽帆航天器深空探測項(xiàng)目為應(yīng)用背景,通過對三種模型的有限元建模、分析、驗(yàn)證計(jì)算,得到了方形太陽帆航天器結(jié)構(gòu)姿態(tài)耦合系數(shù)矩陣計(jì)算的一套處理方法,為其進(jìn)行姿態(tài)控制分系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了參數(shù)基礎(chǔ)。本文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下:1、在航天器結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法方面,提出了一種在總體設(shè)計(jì)層面適用于復(fù)雜多約束條件下航天器結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的“約束圍繞式”設(shè)計(jì)方法,提出了對于具有復(fù)雜多約束設(shè)計(jì)背景問題處理過程中的自然約束條件自我分析與耦合分析兩大模塊。通過以DSL、分離載荷項(xiàng)目中的航天器結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為應(yīng)用背景,分別對子星與主星的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作進(jìn)行了設(shè)計(jì)約束條件的自我分析與耦合分析,明確了關(guān)鍵約束條件與核心約束條件,降低了迭代設(shè)計(jì)過程50%以上的復(fù)雜度,對復(fù)雜多約束的強(qiáng)耦合性進(jìn)行了一定程度的解耦,加快了迭代過程至少一倍以上的速度,獲得了較為滿意的結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,通過了有限元結(jié)構(gòu)仿真驗(yàn)證,解決了具有復(fù)雜多約束的結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)難題。2、針對大型方形太陽帆航天器,利用“約束圍繞式”分析方法分析了其大量模態(tài)質(zhì)量百分比密集性特性,提出了一種耦合系數(shù)矩陣求解的模型簡化、定量驗(yàn)證的成套計(jì)算方法,針對具體的方形太陽帆航天器模型給出了兩種簡化等效模型,分別進(jìn)行了有限元非線性靜力仿真分析與預(yù)應(yīng)力模態(tài)仿真分析;結(jié)合撓性航天器中心剛體加撓性附件耦合系數(shù)矩陣有限元計(jì)算理論,通過有限元分析,得出了滿足慣量完備性的耦合系數(shù)矩陣;結(jié)合簡化模型在姿態(tài)控制理論上的合理性分析,解決了無法通過模態(tài)質(zhì)量百分比進(jìn)行模態(tài)提取來滿足慣量完備性的方形太陽帆航天器完整模型的耦合系數(shù)矩陣計(jì)算問題。本文進(jìn)行的復(fù)雜約束條件結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與撓性結(jié)構(gòu)耦合系數(shù)矩陣計(jì)算的研究分析工作,解決了特定結(jié)構(gòu)形式航天器的結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與耦合動力學(xué)仿真計(jì)算問題,在理論研究層面與具體可行方法層面具有學(xué)術(shù)參考價值,對我國航天器結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。
【關(guān)鍵詞】：航天器結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu) 復(fù)雜設(shè)計(jì)約束 太陽帆 耦合系數(shù) 有限元
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：V414
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-21
• 第一章 緒論21-71
• 1.1 研究背景及意義21-23
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀23-67
• 1.2.1 微小衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀23-40
• 1.2.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)40-48
• 1.2.3 載荷布局設(shè)計(jì)48-51
• 1.2.4 分離釋放機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)51-63
• 1.2.5 撓性結(jié)構(gòu)問題63-67
• 1.3 論文主要內(nèi)容與結(jié)構(gòu)安排67-71
• 第二章 航天器結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)理論及復(fù)雜約束處理方法71-99
• 2.1 引言71
• 2.2 航天器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本理論71-75
• 2.2.1 結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)72
• 2.2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求確定72-73
• 2.2.3 結(jié)構(gòu)材料、連接方式選擇73
• 2.2.4 結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)分析與方案遴選確定73-74
• 2.2.5 結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)74-75
• 2.3 航天器機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)基本理論75-78
• 2.3.1 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)與基本原則75
• 2.3.2 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)基本技術(shù)要求75-77
• 2.3.3 壓緊與釋放機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要素77-78
• 2.4 結(jié)構(gòu)分析有限元數(shù)值方法基本理論78-85
• 2.4.1 有限元基本計(jì)算方法79-81
• 2.4.2 結(jié)構(gòu)動力學(xué)有限元分析理論81-83
• 2.4.3 幾何非線性有限元分析理論83-85
• 2.5 結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)復(fù)雜約束設(shè)計(jì)處理方法85-96
• 2.5.1“約束圍繞式”設(shè)計(jì)方法定義與結(jié)構(gòu)86-89
• 2.5.2 自然約束條件分析與關(guān)鍵約束條件提取89-92
• 2.5.3 初步總體設(shè)計(jì)與最終總體設(shè)計(jì)92-95
• 2.5.4 設(shè)計(jì)方法要素說明95-96
• 2.6 本章小結(jié)96-99
• 第三章 一主多從DSL微小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)與仿真99-153
• 3.1 引言99
• 3.2 子星結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)與仿真99-117
• 3.2.1 設(shè)計(jì)輸入分析與確定101-105
• 3.2.2 CZ階段的星上設(shè)備布局設(shè)計(jì)105-107
• 3.2.3 ZZ階段的子星設(shè)備布局設(shè)計(jì)完善107-108
• 3.2.4 ZZ階段的子星主框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)108-109
• 3.2.5 ZZ階段的子星結(jié)構(gòu)完整設(shè)計(jì)方案109-111
• 3.2.6 子星模態(tài)有限元仿真111-116
• 3.2.7 子星最終總體設(shè)計(jì)方案總結(jié)116-117
• 3.3 主星結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)與仿真117-142
• 3.3.1 設(shè)計(jì)輸入分析與確定119-125
• 3.3.2 CZ階段的主星構(gòu)型設(shè)計(jì)125-131
• 3.3.3 ZZ階段的主星艙內(nèi)設(shè)備布局設(shè)計(jì)131-132
• 3.3.4 ZZ階段的主星主框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)132-135
• 3.3.5 ZZ階段的主星及整星結(jié)構(gòu)完整設(shè)計(jì)方案135-137
• 3.3.6 主星模態(tài)有限元仿真137-141
• 3.3.7 主星最終總體設(shè)計(jì)方案總結(jié)141-142
• 3.4 夾緊釋放機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)142-151
• 3.4.1 設(shè)計(jì)輸入與功能要求143
• 3.4.2 夾緊釋放機(jī)構(gòu)總體方案設(shè)計(jì)143-144
• 3.4.3 子星夾緊釋放結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)144-145
• 3.4.4 主星夾緊釋放機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)145-149
• 3.4.5 夾緊釋放機(jī)構(gòu)工作原理149-151
• 3.4.6 夾緊釋放機(jī)構(gòu)工作過程151
• 3.4.7 夾緊釋放機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)論151
• 3.5 本章小結(jié)151-153
• 第四章 多維強(qiáng)約束分離載荷結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)與仿真153-183
• 4.1 引言153-154
• 4.2 主星結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)與仿真154-181
• 4.2.1 設(shè)計(jì)輸入分析與確定156-163
• 4.2.2 CZ階段的主星構(gòu)型設(shè)計(jì)163-168
• 4.2.3 ZZ階段的主星艙內(nèi)設(shè)備布局設(shè)計(jì)168-170
• 4.2.4 ZZ階段的主星主框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)170-172
• 4.2.5 ZZ階段的主星及整星結(jié)構(gòu)完整設(shè)計(jì)方案172-174
• 4.2.6 主星模態(tài)有限元仿真174-179
• 4.2.7 主星最終總體設(shè)計(jì)方案總結(jié)179-181
• 4.3 本章小結(jié)181-183
• 第五章 太陽帆航天器結(jié)構(gòu)耦合動力學(xué)計(jì)算及機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)183-219
• 5.1 引言183-184
• 5.2 非線性靜力學(xué)有限元仿真分析184-188
• 5.2.1 有限元模型建立184-185
• 5.2.2 材料屬性185
• 5.2.3 邊界條件與分析工況185-187
• 5.2.4 非線性靜力分析結(jié)果187-188
• 5.3 預(yù)應(yīng)力模態(tài)有限元仿真分析188-191
• 5.3.1 有限元模型建立188-189
• 5.3.2 材料屬性189
• 5.3.3 邊界條件與分析工況189-190
• 5.3.4 預(yù)應(yīng)力模態(tài)仿真分析結(jié)果190-191
• 5.4 結(jié)構(gòu)姿態(tài)耦合系數(shù)計(jì)算191-210
• 5.4.1 結(jié)構(gòu)姿態(tài)耦合系數(shù)有限元計(jì)算方法191-194
• 5.4.2 太陽帆航天器完整模型耦合系數(shù)計(jì)算194-197
• 5.4.3 太陽帆全桿簡化模型耦合系數(shù)計(jì)算197-203
• 5.4.4 太陽帆全帆簡化模型耦合系數(shù)計(jì)算203-210
• 5.4.5 太陽帆航天器耦合系數(shù)計(jì)算總結(jié)210
• 5.5 姿態(tài)控制滾轉(zhuǎn)軸穩(wěn)定機(jī)設(shè)計(jì)210-217
• 5.5.1 RSB結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)211-212
• 5.5.2 RSB工作原理212
• 5.5.3 RSB轉(zhuǎn)桿長度設(shè)計(jì)212-216
• 5.5.4 轉(zhuǎn)桿極限轉(zhuǎn)速計(jì)算216-217
• 5.5.5 RSB轉(zhuǎn)桿設(shè)計(jì)結(jié)果217
• 5.6 本章小結(jié)217-219
• 第六章 結(jié)論219-223
• 6.1 主要工作及創(chuàng)新點(diǎn)219-220
• 6.2 工作展望220-223
• 參考文獻(xiàn)223-237
• 在學(xué)期間主要的研究成果及參加的科研項(xiàng)目237-239
• 主要的研究成果237
• 主要參加的科研項(xiàng)目237-239
• 致謝239-240

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 袁家軍;陳s叛，

本文編號：1083030