考虑混合不确定性因素的卫星结构系统动力学分析方法研究

With the development of satellite technology, restrictions on the satellite applications industry' entering the market are gradually being relaxed. Under the pressures of market competition from Euro-American big powers with more mature satellite techniques, doubling down on the development of satellites of low cost and high performance has become an effective channel for improving the core competence of our space industry. However, conventional design methods which ensure reliability by conservative design create an obvious contradiction between high performance and low cost. Further, the root cause of design margin's holding an essential position in the conservative design lies in deficient knowledge of uncertainty factors in the whole satellite life-cycle and in lack of the related dynamic analysis methods. Aiming to solve this problem, this project firstly analyses the influences of uncertainty factors on the inherent characteristics of satellite structures. On that basis, this project focuses on research of random vibration analysis and on-orbit dynamic loads identification for satellite structures with mixed uncertainty. Finally, the proposed dynamic analysis methods will be applied to analysis of real satellite products in which ground test data and flying test data are involved. The validity and correctness of the proposed theory and analysis methods will be proved accordingly.

随着卫星技术的发展，卫星应用产业的市场准入限制逐步放宽，面对发展较成熟的欧美卫星技术强国的市场竞争压力，大力发展低成本、高性能卫星研制技术已成为提高我国空间技术核心竞争力的有效途径。常规以保守性设计换取可靠性的设计手段使得卫星“高性能”和“低成本”成为显著的矛盾。极端重视设计余量的保守性设计其根源是对卫星生命周期内的不确定性因素认识不足和相关动力分析方法的欠缺。面向该问题，本项目在分析参数不确定性对卫星结构固有特性影响的基础上，重点研究混合不确定性因素条件下卫星结构系统的随机振动响应分析方法和面向空间环境的动载荷识别方法；在理论研究的基础上，针对实际的卫星产品，结合以往相关型号产品的试验数据，对本项目提出的方法及理论进行验证及应用研究，验证所提出方法的正确性和有效性。

“快速研制、高性能、低成本”成为近年来卫星技术发展的重要目标，常规设计方法中以保守性设计换取可靠性的设计手段使得“高性能”和“低成本”成为一对矛盾。本项目考虑多不确定性因素及其耦合效应对卫星性能的影响，重点研究了卫星不确定性系统的建模理论、随机振动分析方法和动载荷参数识别方法，并对提出的方法及理论进行了验证及应用研究。具体为，1）规划并开发了基于神经网络代理模型的卫星结构系统不确定性分析模型；2）提出了基于神经网络模型的复合材料层合结构非线性固有频率和随机振动响应的不确定性分析方法；3）基于随机子空间方法，研究了带有挠性附件的卫星结构参数在轨辨识方法。通过平稳随机载荷识别实验，验证了测点的选取准则和条件数加权算法的有效性；4）以对地观测卫星方案设计为实例，建立了考虑不确定性因素的卫星总体设计学科模型并完成了卫星的方案优化设计，对提出的相关方法进行了试验验证，完成了研究成果的系统集成。本项目最终提出了一套较为完整的卫星混合不确定性系统建模、动响应分析和动载参数识别的新理论和新方法，为新材料、新任务和新技术条件下的卫星高可靠性设计提供了理论依据及研究平台。