本文關(guān)鍵詞：帶多充液貯箱及機(jī)動(dòng)柔性附件航天器耦合動(dòng)力學(xué)研究

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【摘要】：航天器在進(jìn)行軌道轉(zhuǎn)移、姿態(tài)調(diào)整、附件機(jī)動(dòng)等過程中,將不可避免的會(huì)引起貯箱內(nèi)的液體晃動(dòng)和柔性附件的振動(dòng),從而導(dǎo)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(fù)雜的耦合動(dòng)力學(xué)效應(yīng),并對(duì)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?xí)霈F(xiàn)航天器系統(tǒng)整體的失穩(wěn)。本文以此為研究背景,對(duì)在低重力環(huán)境下運(yùn)行的攜帶有多個(gè)充液圓柱貯箱及機(jī)動(dòng)柔性附件航天器的耦合動(dòng)力學(xué)進(jìn)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(jí)數(shù)對(duì)貯箱分別受橫向激勵(lì)和俯仰激勵(lì)時(shí)的自由液面處的邊界條件進(jìn)行展開,分別得到相應(yīng)的液體晃動(dòng)系統(tǒng)的廣義狀態(tài)方程,給出了固有頻率、晃動(dòng)波高、晃動(dòng)力和晃動(dòng)力矩等晃動(dòng)特性的計(jì)算公式,得到分析低重力環(huán)境下圓柱貯箱內(nèi)液體晃動(dòng)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(dòng)特性隨充液深度、外激勵(lì)頻率和邦德數(shù)等參數(shù)變化的規(guī)律,同時(shí)驗(yàn)證了文中方法的收斂性、可行性和準(zhǔn)確性。(2)推導(dǎo)了帶多充液圓柱貯箱剛性航天器中貯箱內(nèi)任意點(diǎn)的牽連運(yùn)動(dòng)方程,根據(jù)壁面邊界條件給出了貯箱內(nèi)液體牽連晃動(dòng)勢(shì)的表達(dá)式;建立以液體相對(duì)晃動(dòng)勢(shì)的模態(tài)坐標(biāo)和晃動(dòng)波高的模態(tài)坐標(biāo)為狀態(tài)向量的液體晃動(dòng)動(dòng)力學(xué)狀態(tài)方程。運(yùn)用準(zhǔn)坐標(biāo)系下的拉格朗日方程建立以航天器主剛體姿態(tài)坐標(biāo)和軌道坐標(biāo)為狀態(tài)向量的剛體運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程,進(jìn)一步聯(lián)立上述動(dòng)力學(xué)方程得到航天器整體系統(tǒng)的剛-液耦合動(dòng)力學(xué)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(jì)算體系,并編制出相應(yīng)的模塊化計(jì)算程序。通過計(jì)算實(shí)例驗(yàn)證所編程序準(zhǔn)確性的同時(shí),具體研究了貯箱布局、燃料不均勻消耗、外激勵(lì)形式等對(duì)航天器動(dòng)力學(xué)特性的影響。(3)通過將附件本體坐標(biāo)系的工作面建立在附件機(jī)動(dòng)面上,得到本體坐標(biāo)系與主體坐標(biāo)系之間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換角的較簡(jiǎn)潔的表達(dá)式;基于伯努利-歐拉梁理論,建立三維機(jī)動(dòng)柔性附件的動(dòng)力學(xué)模型;依據(jù)達(dá)朗伯原理,對(duì)梁中三軸向的慣性力和力矩對(duì)空間位置進(jìn)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(dá)式,并運(yùn)用準(zhǔn)坐標(biāo)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(dòng)力學(xué)狀態(tài)方程。通過將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)果對(duì)比,驗(yàn)證了文中方法的正確性。(4)進(jìn)一步運(yùn)用具有統(tǒng)一形式的準(zhǔn)坐標(biāo)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(dòng)力學(xué)狀態(tài)方程,編制相應(yīng)的模塊化計(jì)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(dòng)力學(xué)分析的完整計(jì)算體系和仿真平臺(tái);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(dòng)力學(xué)性能。(5)基于輸入成型技術(shù)設(shè)計(jì)出了航天器姿、軌坐標(biāo)追蹤控制的復(fù)合自適應(yīng)終端滑�？刂破�;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(dòng)力學(xué)特性。計(jì)算結(jié)果表明:常規(guī)的自適應(yīng)終端滑�？刂破髂芰己玫膶�(shí)現(xiàn)對(duì)帶單個(gè)充液圓柱貯箱航天器姿、道坐標(biāo)參數(shù)的精確控制和貯箱內(nèi)的液體晃動(dòng)的有效抑制;但當(dāng)將該控制器應(yīng)用于帶多充液貯箱的航天器上時(shí),航天器系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)性能卻表現(xiàn)出明顯的剛-液-控耦合共振現(xiàn)象,嚴(yán)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(shù)對(duì)原控制器進(jìn)行卷積后得到的復(fù)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(biāo)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(dòng)力學(xué)分析的一種模塊化全模態(tài)計(jì)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(dòng)利用力學(xué)模型等效替代時(shí)所出現(xiàn)的問題或不足,為進(jìn)一步開展相關(guān)研究打了重要的理論基礎(chǔ)。
【關(guān)鍵詞】：低重力環(huán)境 多充液貯箱航天器 準(zhǔn)坐標(biāo)系下的拉格朗日方程 耦合動(dòng)力學(xué)分析 機(jī)動(dòng)柔性附件 全模態(tài)計(jì)算體系
【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)】：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(shì)15-21
• 1.2.1 低重力環(huán)境下的液體晃動(dòng)特性分析的研究進(jìn)展15-18
• 1.2.2 帶充液貯箱航天器剛-液耦合動(dòng)力學(xué)分析的研究進(jìn)展18-19
• 1.2.3 帶柔性附件航天器的動(dòng)力學(xué)建模及剛?cè)狁詈嫌?jì)算的研究進(jìn)展19-21
• 1.3 擬采取的技術(shù)路線和研究?jī)?nèi)容21-23
• 第2章 液體晃動(dòng)分析的FOURIER-BESSEL級(jí)數(shù)展開法23-49
• 2.1 引言23
• 2.2 橫向激勵(lì)下晃動(dòng)系統(tǒng)方程的推導(dǎo)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(dòng)動(dòng)力學(xué)方程的線性化26-27
• 2.2.4 液體晃動(dòng)勢(shì)的模態(tài)坐標(biāo)27-30
• 2.2.5 液體橫向晃動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程的級(jí)數(shù)展開30-32
• 2.2.6 固有頻率、晃動(dòng)力和晃動(dòng)力矩32-33
• 2.3 俯仰激勵(lì)下晃動(dòng)系統(tǒng)方程的推導(dǎo)和求解33-38
• 2.3.1 邊界條件的建立33-35
• 2.3.2 俯仰晃動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程的級(jí)數(shù)展開35-37
• 2.3.3 固有頻率、晃動(dòng)力和晃動(dòng)力矩37-38
• 2.4 算例仿真與分析38-48
• 2.4.1 橫向激勵(lì)下的液體晃動(dòng)38-42
• 2.4.2 俯仰激勵(lì)下的液體晃動(dòng)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(dòng)力學(xué)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(dòng)的計(jì)算模型49-50
• 3.2.2 牽連速度勢(shì)的形式50-52
• 3.2.3 耦合系統(tǒng)方程的級(jí)數(shù)展開52-58
• 3.2.4 晃動(dòng)力和晃動(dòng)力矩58-61
• 3.2.5 航天器主體的動(dòng)力學(xué)狀態(tài)方程61
• 3.2.6 充液航天器全耦合系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)狀態(tài)方程61-62
• 3.3 算例仿真與分析62-83
• 3.3.1 算例簡(jiǎn)介62-63
• 3.3.2 燃料不均勻消耗對(duì)航天器性能的影響63-66
• 3.3.3 不同軌道驅(qū)動(dòng)力對(duì)航天器性能的影響66-71
• 3.3.4 姿態(tài)不受控時(shí)的晃動(dòng)勢(shì)模態(tài)分布仿真71-78
• 3.3.5 姿態(tài)受控時(shí)的晃動(dòng)勢(shì)模態(tài)分布仿真78-83
• 3.4 本章小結(jié)83-84
• 第4章 帶機(jī)動(dòng)柔性附件航天器的剛-柔耦合動(dòng)力學(xué)建模與分析84-100
• 4.1 引言84
• 4.2 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程的推導(dǎo)84-90
• 4.2.1 帶機(jī)動(dòng)柔性附件航天器計(jì)算模型的建立84-86
• 4.2.2 機(jī)動(dòng)柔性附件的偏微分方程86-87
• 4.2.3 機(jī)動(dòng)柔性附件的模態(tài)坐標(biāo)解法87
• 4.2.4 剛-柔耦合系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)內(nèi)力值87-88
• 4.2.5 主剛體動(dòng)力學(xué)方程的建立88-89
• 4.2.6 剛-柔耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)狀態(tài)方程的建立與計(jì)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(jī)動(dòng)柔性附件航天器的剛-液-柔耦合動(dòng)力學(xué)建模與分析100-116
• 5.1 引言100
• 5.2 耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析100-102
• 5.2.1 主剛體動(dòng)力學(xué)方程的建立100-101
• 5.2.2 耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)狀態(tài)方程的建立101
• 5.2.3 耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)計(jì)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(dòng)力學(xué)分析102-107
• 5.3.2 算例 2——帶多充液圓柱貯箱及機(jī)動(dòng)柔性附件航天器耦合動(dòng)力學(xué)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(dòng)力學(xué)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(guān)系式116-117
• 6.2.2 基本引理117-118
• 6.3 姿軌自適應(yīng)終端滑模控制器設(shè)計(jì)118-121
• 6.3.1 姿態(tài)穩(wěn)定的自適應(yīng)終端滑�？刂破�118
• 6.3.2 軌道追蹤的自適應(yīng)終端滑模控制器118-121
• 6.4 算例仿真與分析121-138
• 6.4.1 帶單個(gè)充液貯箱的航天器121-127
• 6.4.2 帶四個(gè)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(xiàn)141-149
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表論文與研究成果清單149-150
• 致謝150-151
• 作者簡(jiǎn)介151

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：724477