柔性多体系统动力学单向递推组集建模方法

提出了一种柔性多体系统动力学计算机辅助建模方法，即单向递推组建模方法。在运动学正向递推过程中程式化地组集建立链状，树状及含闭环的柔性多体系统用铁相对坐标及模态坐标表达的动力学方程，且有传统的绝对坐标方法及铰相对坐标方法的优点并克服了它们的不足。结果的形式同多刚体系统动力学方程兼容，并适合处理变结构多体机械系统的仿真。由于各条链上递推组集的独立性，本方法极易并已发展为并行计算方法。

树型多刚体系统单向递推组集计算机求解

对组成多刚体系统的各个刚体和铰建立基本类库 ,采用 R/W方法描述多体系统的结构 ,采用相对坐标的建模描述方法 ,自动选择广义坐标 .对各个刚体采用规则标号标识 ,自动形成路的信息 ,按路的方向递推组集多刚体系统运动学和基于虚功原理的动力学方程 ,这样建模效率高 ,简洁 .采用 Adams预估—校正和隐式多步 Runge-Kutta方法求解动力学方程 .该方法重复使用前几步信息 ,计算速度快 .并就上述算法编制了软件 。

柔性多体系统中的刚-柔耦合动力学

基于 Von- Karman变形理论 ,描述了弹性梁中面的耦合变形和大范围刚体运动之间的耦合 ,利用 Jourdain速度变分原理和单向递推建模方法建立了由梁式构件组成的树状柔性多体系统的程式化耦合动力学方程 。

航天器太阳阵的刚柔耦合动力学与控制研究

对空间漂浮航天器太阳阵展开与锁定过程的刚柔耦合动力学与控制问题进行较为全面的研究。基于Jourdain速度变分原理和单向递推组集方法,建立了太阳阵展开与锁定过程的刚柔耦合多体系统动力学模型,采用模糊自适应PD控制方法对航天器本体的姿态扰动进行主动控制。通过对考虑柔性效应的太阳阵展开与锁定过程的数值仿真,较好地预测了太阳阵展开历程及航天器本体姿态扰动情况。另外,通过采用模糊自适应PD控制方法与传统PD控制方法进行仿真比较,验证了该控制方法对航天器姿态控制的有效性。

簇状卫星姿态控制方程的通用建模方法

当前卫星通常都由一个中心刚体和其他挠性附件构成,每个挠性附件都与中心刚体直接相连,组成了一个簇状的刚柔耦合的多体系统。随着挠性附件的数目的不同,卫星系统的拓扑构型也将有所不同。即使对于同一颗卫星而言,在展开过程的不同阶段,卫星系统具有不同的拓扑构型。本文利用柔性多体系统动力学的单向递推组集方法,提出了一套通用的解决方案,以推导具有不同拓扑构型的簇状卫星的姿态控制方程,得出了姿态控制方程的系数矩阵。

航天器柔性附件对其驱动机构的干扰研究

带柔性附件的航天器在进行轨道机动或姿态调整等大范围运动时,柔性附件的弹性振动与航天器大范围运动的刚柔耦合作用将会对驱动机构产生一定的干扰.首先利用单向递推组集建模方法建立了带柔性附件的航天器的动力学模型,然后研究了航天器不同工况变轨时由于柔性附件的弹性振动与航天器大范围运动的刚柔耦合作用对驱动机构所产生的干扰,最后结合变轨条件和柔性附件的固有特性,具体地分析了干扰的作用机理.

考虑铰摩擦的柔性太阳阵展开动力学研究

研究了空间漂浮航天器太阳阵展开与锁定过程的刚柔耦合动力学问题.基于Jourdain速度变分原理和单项递推组集方法,建立了太阳阵展开与锁定过程的刚柔耦合多体系统动力学模型,采用虚功率原理推导了铰摩擦对系统动力学方程的贡献.在以上动力学模型中引入3-D鬃毛摩擦模型来研究铰链的摩擦特性对太阳阵展开动力学的影响.所建动力学模型的正确性通过与商业软件ADAMS和NASTRAN的联合仿真对比得到了验证,该模型能够有效地预测太阳阵的展开历程以及航天器姿态的动态行为.

挠性航天器系统动力学耦合特性研究

基于单向递推组集方法,对带柔性附件的航天器进行动力学建模,研究了航天器姿态耦合系数的计算方法.单向递推组集建模方法相比传统线性化方法,其计算结果更精确,推导过程完全依照刚柔耦合动力学模型,完整保留了挠性附件弹性振动对系统质心和转动惯量的影响,未作多余近似假设.仿真算例表明,该方法计算系统的耦合系数具有更高精确性,说明了单向递推组集方法相比传统方法在挠性航天器系统刚柔耦合动力学问题中的优越性.

基于MPI的柔性多体系统动力学并行计算

研究解决多体系统动力学仿真计算中串行计算速度比较慢的问题。现将MPI(Message Parallel Interface)并行计算环境引入柔性多体系统动力学仿真软件CADAMB(Computer Aided Dynamic Analysis of MultiBody),对其中的单向递推组集建模方法进行了并行化改造,并给出了加速比和各进程效率的估计。结果显示该并行算法能大幅度提高仿真计算的速度。

变拓扑空间可展桁架多体系统动力学建模与分析

随着空间折叠式桁架可展长度的增大与结构的复杂化,对空间大型展开机构动力学分析的计算规模逐渐增大。为了减少系统的广义坐标个数,该研究取铰的相对坐标为系统的广义坐标,基于单向递推组集方法建立太空望远镜桁架展开过程的动力学模型。利用Jourdain速度变分原理建立了各柔性部件的动力学变分方程,根据各柔性部件之间的运动学递推关系,并引入切断铰的约束方程,建立了柔性多体系统的刚-柔耦合动力学方程。针对柔性部件展开锁定时容易出现的数值计算问题,提出了在缓冲减速的基础上施加相对角约束的变拓扑方法。基于动力学模型对11节桁架单元的太空望远镜桁架展开过程进行数值仿真。为了进一步缩减计算规模,根据系统结构的对称性和纵向载荷分布的均匀性,将多个桁架和主镜组成的多体系统简化为单个桁架与主镜的一部分组成的系统进行数值仿真。将单个桁架系统展开过程的数值仿真结果与多个桁架系统的仿真结果进行对比,验证了简化动力学模型的准确性和有效性。在此基础上进一步对30节桁架单元的桁架展开过程进行数值仿真,通过对比柔性桁架与刚性桁架在展开和碰撞锁定过程中仿真结果的差异,分析了弹性变形对系统动力学特性的影响。

哑铃型航天器刚-柔耦合动力学建模与仿真分析

为满足深空探测的需求,需要构建一种全新的哑铃型航天器.由于构型和质量分布的差异,传统"中心刚体+柔性附件"动力学模型将不再适用,因此必须针对该构型建立一种高效准确的动力学模型.本文基于小变形假设,利用浮动坐标法,采用多体系统动力学单向递推组集方法,建立了哑铃型航天器的刚-柔耦合动力学模型.该模型考虑了哑铃型航天器的轨道-姿态-变形之间的耦合效应,保留了全部变形高次耦合项.通过采用本文方法建立的"刚体-桁架-刚体"模型和已有的两种哑铃型航天器模型,对典型算例进行动力学仿真和比较.仿真结果表明,本文模型很好地反映了哑铃型航天器的刚-柔耦合动力学特性,末端物体的转动惯量将会影响系统的动力学响应,不能简单忽略.本研究将为哑铃型航天器的总体设计,特别是控制规律的设计,提供重要的技术支持.