环形桁架式可展开天线展开过程非光滑接触动力学研究

Under the framework of rigid-flexible coupling multibody system dynamics, this study deals with the non-smooth contact dynamics in the deployment process of a hoop truss deployable antenna, develops the accurate modeling technology and efficient computational methods of the cable-pulley system and joints with clearance, predicts the deployment process and demonstrates the deployment dynamics of the structure in order to meet the nation’s requirements of large scale deployable antennas in the space technology. The ground experiments are carried out to validate and amend the theoretical models and numerical results. These researches can be used to perfect the theoretical framework of deployment dynamics of large scale deployable space structures, and provide theoretical reference for the design and application of these space structures. The major studies of the project include: (1) the accurate modeling of the flexible driving cable in the deployable structure, (2) the efficient contact detection method for the cable-pulley system and joints with clearance, (3) the non-smooth dynamic modeling and analysis of the cable-pulley system and joints with clearance, (4) the ground experiments for deployable structures. The project will focus on solving the following open problems, such as how to avoid the disturbances caused by variations of nodes in the modeling of the cable element with varying length, how to model and compute the contact forces between cable and pulley efficiently, and how to model and compute the non-smooth dynamic problems of joints with clearance based on the complementarity theory.

以我国航天科技迫切需求的大型可展开空间天线为背景，在刚-柔耦合多体系统动力学框架下，发展绳索-滑轮系统及含间隙运动副的精确建模及高效求解算法，研究环形桁架式可展开天线展开过程中的非光滑接触动力学问题，预测其展开过程并揭示其展开动力学规律。通过地面实验对理论模型与数值仿真结果进行验证与改进，完善大型可展开空间结构的展开动力学理论体系，为此类空间结构的设计提供理论支撑。主要研究内容包括：可展开结构中柔性驱动绳索的精确建模研究、绳索-滑轮系统及含间隙运动副的高效接触检测方法、绳索-滑轮系统及含间隙运动副的非光滑动力学建模与分析以及地面实验研究。重点解决以下科学问题：变长度绳索单元建模过程中节点变化引起的扰动问题、大变形柔性绳索与滑轮之间接触力的精确建模及高效计算问题以及基于互补理论的含间隙运动副的多体系统非光滑动力学建模与求解问题。

本项目以我国航天科技迫切需求的大型可展开空间天线为背景，在刚-柔耦合多体系统动力学框架下，研究环形桁架式可展开天线展开过程中的非光滑接触动力学问题，预测其展开过程并揭示其展开动力学规律。主要研究进展包括以下五部分：.（1）环形天线展开过程动力学特性分析：采用几何精确梁单元法对周边桁架的杆件及索网进行柔性建模，变长度索单元对驱动绳建模。结合对其他部件的刚性假设，实现对整个天线系统的动力学仿真。对各参数对天线展开过程的影响进行了仿真分析。.（2）针对一类高收纳比环形桁架式可展开天线结构，通过自由度分析与动力学仿真对其展开方案进行研究。提出了同步绳约束与同步齿轮约束方案以及动力绳驱动与铰链驱动方案，并对其展开过程进行了刚-柔耦合动力学分析。.（3）环形天线柔性包带的建模方法与计算：建立了环形桁架可展开天线柔性包带的展开动力学数值分析模型，通过仿真分析识别了影响展开动力学特性的关键参数，开展了常温及高低温下的展开试验验证，试验与数值分析结果相符，验证了数值分析结果的有效性。.（4）大型环形桁架天线分布式驱动方法与数值分析：对集中式电机驱动展开过程进行了仿真，揭示了集中式驱动下电机动力在传力路径上摩擦损失而导致的展开不同步问题，并对其展开过程能量消耗进行了分析，总结了集中式驱动存在的不足。在此基础上给出了一种基于负刚度驱动装置的分布式驱动展开方法，并通过数值算例验证了其有效性。.（5）大型环形桁架天线热致振动特性研究：建立了环形桁架天线的索网-框架组合结构热-弹耦合动力学方程。建立了时变温度场模型，分析了进出地影期温度变化对航天器结构热致振动的影响规律。对某航天器在轨数据进行了分析，验证了数值分析的有效性。.成果已总结为12 篇期刊论文，项目组成员出席学术会议10人次，部分研究成果直接应用于我国航天工程，为大型空间天线的成功展开提供了技术支撑。