航天器连接结构的非线性振动分析及其优化控制方法

Development of larger and lighter space vehicles require designing system more precisely, therefore, this project is dedicated to study vibration analysis and optimal control method on connection structures, mechanical properties of which are weak and prone to change rapidly. Effects of nonlinear characteristic parameters, including connection gap, contact and friction, on nonlinear vibration responses are studied firstly when connection structures become loosen and slipped; then, the relationship between nonlinear characteristic parameters and nonlinear vibration response feature is established by using output frequency response function (OFRF) in analysis theory of nonlinear system in frequency domain; furthermore, both model parameter identification method of connection structure and effect of nonlinear feature on vibration transmissibility of space vehicle connection structures are investigated; moreover, optimal control method of nonlinear characteristic parameters with the target of vibration suppression is proposed; finally, correction of proposed method is verified by experimental study. This project will improve effectively ability of dynamic analysis and vibration control of space vehicle connection structures, and corresponding results will provide important theoretical basis and implementation method for prediction of vibration response of space vehicles and optimal design of connection structures.

航天器的大型化和轻质化发展对其设计精细化提出了更高的要求，本项目针对航天器整体结构中力学特性最易发生急剧变化和较为薄弱的典型连接结构开展非线性动力学和振动优化控制研究。研究发生连接松动和滑移时连接间隙、接触、摩擦等非线性特征参数对系统非线性振动响应特性的影响机理；以非线性系统频域分析理论为突破口，基于输出频率响应函数建立连接结构非线性特征参数与航天器结构振动频域特征之间的关系，进而研究连接结构模型参数的辨识方法，并揭示连接结构的非线性特性对航天器结构振动传递规律的影响，提出以振动抑制为目标的连接结构非线性特征参数的优化控制方法，最后通过振动实验验证分析结果的正确性。通过本项目研究工作的开展，可有效提高航天器连接结构的动力学分析及振动控制能力。研究成果可以为航天器振动响应预示和连接结构的优化设计提供重要的理论依据和实施方法。

本项目以对航天器整体结构中力学特性最易发生急剧变化和较为薄弱的典型铰链连接和螺栓连接等连接结构为研究对象，开展了连接结构的非线性动力学特性和振动优化控制研究。研究了激励频率、间隙大小、接触刚度、阻尼系数等参数对铰链连接结构振动响应特性的影响机理，以及激励幅值、相对刚度和宏观滑移摩擦力等参数对螺栓连接结构振动响应特性的影响机理；定性分析了铰链连接结构动力学和螺栓连接结构动力学中的混沌、分叉、分频及倍频等非线性振动现象。基于非线性系统频域分析理论，推导了一般形式非线性系统的输出振动响应频率范围、各频率处振动幅值的解析表达和系统输出频率响应函数，明确了输出频率响应与连接结构参数之间关系模型及其拟合方法。在此基础上，提出了基于传递特性因子的连接结构振动优化控制方法。最后，通过设计搭建的铰接梁结构和螺栓连接悬臂梁振动试验台，验证分析了连接结构参数对非线性振动响应特性影响的结果。研究结果可以为航天器振动响应预示和连接结构的优化设计提供重要的理论依据和实施方法。