本文關(guān)鍵詞：月球探測器軟著陸動(dòng)力學(xué)分析及動(dòng)態(tài)子結(jié)構(gòu)技術(shù)研究

  更多相關(guān)文章： 月球探測器 軟著陸動(dòng)力學(xué) 非線性有限元 模態(tài)截?cái)鄿?zhǔn)則 脈沖子結(jié)構(gòu)法 非線性連接

【摘要】：月球探測器安全穩(wěn)定地著陸于月球表面是我國探月二期工程勝利的重要標(biāo)志，探測器的軟著陸動(dòng)力學(xué)分析是保證任務(wù)成功的必要手段。本文面向月球探測器設(shè)計(jì)工作需要，為準(zhǔn)確而精細(xì)地預(yù)測探測器著陸沖擊過程的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，進(jìn)而為探測器結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)條件的確定提供依據(jù)，采用非線性有限元方法建立探測器軟著陸動(dòng)力學(xué)模型，較為全面地考慮各種非線性因素的影響，基于建立的模型對(duì)探測器的著陸沖擊過程進(jìn)行分析和研究。同時(shí)，為高效地完成面向設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和模型修改等任務(wù)，進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)態(tài)子結(jié)構(gòu)技術(shù)研究。 著陸沖擊過程的仿真效率和精度是月球探測器軟著陸動(dòng)力學(xué)分析領(lǐng)域的一對(duì)主要矛盾。本文針對(duì)此矛盾，結(jié)合月球探測器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中遇到的實(shí)際問題，以建立等效模型和尋找高效求解策略為切入點(diǎn)，主要開展了如下四方面工作： （1）針對(duì)非線性有限元求解耗時(shí)長的問題，提出了一種緩沖系統(tǒng)的等效簡化模型，大幅度降低了系統(tǒng)中非線性自由度的數(shù)目。采用隱式積分算法求解系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程，在保證仿真精度的基礎(chǔ)上有效縮短了計(jì)算耗時(shí)，探測器的軟著陸動(dòng)力學(xué)分析時(shí)間從常規(guī)的1天縮短至1小時(shí)。與地面著陸沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，關(guān)鍵測點(diǎn)處加速度響應(yīng)的相對(duì)峰值誤差在15%以內(nèi)，，證明了簡化模型及積分算法的有效性。 （2）針對(duì)隱式積分算法中局部非線性導(dǎo)致的全局非線性迭代問題，將探測器結(jié)構(gòu)的線性部分作為子結(jié)構(gòu)，在模態(tài)域?qū)�性子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模型降階。提出了一種基于脈沖響應(yīng)函數(shù)的模態(tài)截?cái)鄿?zhǔn)則，可對(duì)降階模型進(jìn)行二次降階。經(jīng)過兩次模型降階，參與非線性運(yùn)動(dòng)方程平衡迭代的自由度進(jìn)一步降低，使得探測器的軟著陸動(dòng)力學(xué)分析時(shí)間從1小時(shí)縮短至千秒量級(jí)。與非降階模型的著陸沖擊數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，關(guān)鍵測點(diǎn)處加速度響應(yīng)的相對(duì)峰值誤差在5%以內(nèi)，證明了模態(tài)域子結(jié)構(gòu)方法的有效性。 （3）針對(duì)小阻尼情況下模態(tài)域子結(jié)構(gòu)方法無法準(zhǔn)確預(yù)測探測器加速度響應(yīng)的問題，基于脈沖子結(jié)構(gòu)方法，提出了一種適用于預(yù)測加速度響應(yīng)的降階形式的迭代求解格式，并從理論上證明了此格式等價(jià)于Newmark隱式積分算法，具有保精度特性和無條件數(shù)值穩(wěn)定性。利用探測器著陸沖擊數(shù)值試驗(yàn)中測得的緩沖載荷作為激勵(lì)，分別采用模態(tài)域子結(jié)構(gòu)方法和脈沖子結(jié)構(gòu)方法分析了月球探測器的加速度響應(yīng)。數(shù)值算例表明后者在計(jì)算精度和求解效率方面均高于前者，從而驗(yàn)證了降階形式的脈沖子結(jié)構(gòu)方法相對(duì)模態(tài)域子結(jié)構(gòu)方法更適于處理探測器的軟著陸沖擊問題。 （4）針對(duì)經(jīng)典脈沖子結(jié)構(gòu)方法無法模擬太陽翼與探測器基體連接元件的柔性特性的問題，提出了線性及非線性剛?cè)峄旌香q鏈描述方法——HJDM和NHJDM。兩種方法彌補(bǔ)了經(jīng)典脈沖子結(jié)構(gòu)方法對(duì)連接元件動(dòng)力學(xué)行為的不恰當(dāng)描述，并可以將連接元件從子結(jié)構(gòu)中獨(dú)立出來。當(dāng)連接元件的動(dòng)力學(xué)參數(shù)（如質(zhì)量、阻尼和剛度）改變時(shí)可以快速地獲得整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)而不必對(duì)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行重分析，有利于對(duì)連接元件的動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行識(shí)別與修改，也可通過對(duì)連接元件動(dòng)力性能的優(yōu)化提高太陽翼等重要有效載荷及儀器設(shè)備的動(dòng)力學(xué)特性。另外，NHJDM能夠?qū)ewton迭代中使用的等效切向剛度矩陣的維數(shù)從全體子結(jié)構(gòu)的自由度總數(shù)降低至連接元件自由度數(shù)，極大地提高了脈沖子結(jié)構(gòu)法求解局部非線性問題的能力。
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：V476.3

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 萬峻麟;聶宏;李立春;陳金寶;曾福明;;基于瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)方法的月球探測器軟著陸腿著陸沖擊性能分析[J];兵工學(xué)報(bào);2010年05期

2 王闖;劉榮強(qiáng);鄧宗全;高海波;;月球著陸器著陸過程動(dòng)力學(xué)分析[J];北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào);2008年04期

3 逯運(yùn)通;宋順廣;王春潔;曾福明;;基于剛?cè)狁詈夏Ｐ偷脑虑蛑懫鲃?dòng)力學(xué)分析[J];北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào);2010年11期

4 王闖;鄧宗全;高海波;劉榮強(qiáng);;國內(nèi)外月球著陸器研究狀況[J];導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù);2006年04期

5 龍鋁波;卿啟湘;文桂林;姜圣;;基于ADAMS的著陸器軟著陸穩(wěn)定性仿真分析[J];工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào);2010年05期

6 梁東平;柴洪友;曾福明;;月球著陸器著陸腿非線性有限元建模與仿真[J];北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào);2013年01期

7 鄧宗全,王少純,高海波,胡明;基于ADAMS平臺(tái)的月球著陸器上限振幅研究[J];哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào);2003年12期

8 王少純;鄧宗全;楊滌;唐玉國;王笑香;;月球著陸器新結(jié)構(gòu)的ADAMS仿真研究[J];哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào);2007年09期

9 王文亮;杜作潤;陳康元;;模態(tài)綜合技術(shù)短評(píng)和一種新的改進(jìn)[J];航空學(xué)報(bào);1979年03期

10 陳金寶;聶宏;張明;汪岸柳;;緩沖機(jī)構(gòu)柔性變形對(duì)月球探測器著陸穩(wěn)定性能影響分析(英文)[J];Chinese Journal of Aeronautics;2008年01期

本文編號(hào)：1249879