基于局部实验的超大型同构结构动力学建模

With the development of space industry, large scale spacecraft, such as radar remote sensing satellite and distributed space station, are getting more and more attention. The control of super large space structure is very challenging, and the precise dynamic model is very important for the design of the control system.However, its dynamic characteristics are very complex, and it is difficult to do full-size dynamic characteristic experiment on the ground to build the dynamic characteristic model. This application is aimed at the super large space structure of the truss antenna, which is composed of lots of identical substructures. We plan to revise the simulation model and predict the homogeneous growth through dynamic experimental data of single or multiple substructures and build the whole dynamic model of super large homogeneous structure with smaller experimental site and cost to provide a more accurate model for the distributed measurement and control of such structures. By above methods, we not only avoid the problem of inaccurate modeling of using mathematical modeling method to build the nonlinear dynamic model, but also overcome the problem of the cost and difficulty of doing full-size truss structure experiment on the ground. So a more accurate dynamic model of the super large truss structure can be modelled with less cost for the analysis and design of vibration control system.

随着航天事业的发展，雷达遥感卫星和分布式空间站等大型航天器应运而生，与之相应的超大型空间结构正得到国内外航天科研单位越来越多的重视。超大型空间结构的控制十分具有挑战性，精确的动力学模型对控制系统的设计至关重要。但此类超大型结构的动力学特性十分复杂，且很难在地面上进行全尺寸动力学实验对其动力学特性进行建模。本申请针对桁架天线这一类由许多相同子结构所组成的超大型空间结构，提出一种基于局部实验的超大型同构结构动力学建模方法。通过单个或多个子结构的动力学实验数据，修正仿真模型并进行同构增长预示，以更小的实验场地及成本代价，建立超大型同构结构的整体动力学模型。这样既避免了单纯采用数学建模方法对非线性动力学建模不准确的问题，也克服了全尺寸桁架结构地面实验难度大且成本高的问题。从而能够以较小的代价，建立更准确的超大型桁架结构的动力学模型，为此类结构的分布式测量及控制提供较为准确的模型。

由于具有质量体积比小、结构刚度大、折叠体积小以及可在轨展开组装维护等优点，超大型同构结构在航天任务中具有广泛的应用前景。由于超大型同构结构的规模越来越大，传统的基于有限元分析的建模方法需要成千上万个单元来分析此类空间结构的在轨动力学特性，导致有限元分析方法计算效率很低，并且有限元动力学分析会产生很多并不关心的振动模态。此外，由于尺寸很大，很难在地面开展此类结构的全尺寸动力学的实验。因此，本研究提出了通过单个或多个子结构的动力学实验数据，修正仿真模型并进行同构增长的建模方法。.本研究包括动力学特性实验系统设计及优化、基于实验的桁架子结构动力学特性分析及建模、基于同构增长的全尺寸桁架结构力学建模方法研究及部分实验验证。在实验系统搭建方面，研制出了一套基于零刚度弹簧和平面气浮轴承的高精度三维重力卸载系统。实验测试结果表明，零刚度弹簧的恒力精度优于0.35%，满足超大型同构结构高保真实验的需求。在子结构动力学分析方面，首先通过实验以及元素修正方法对子结构中各单元参数进行修正。同时，基于能量等效原理，在局部坐标系下将子结构等效为连续介质。针对子结构的尺寸相对于超大型同构结构的整体尺寸非常小的特点，假设子结构中能量分布是均匀的，获得了子结构的能量密度，积分后得到了系统的能量。最后，利用哈密顿原理得到了超大型同构结构的动力学模型。为了验证基于同构增长的全尺寸桁架结构力学建模方法的有效性，设计了部分实验对同构增长的建模方法进行了验证。实验结果表明同构增长建模方法是有效的。同构增长建模方法的准确度与子结构数量有关，子结构数量越多时，建模的准确度也越高。