航天器层合机构大范围运动多耦合场行为机理研究

A nonlinear dynamic modeling method is developed for space mechanism composed of laminated composite structure undergoing a multi-field coupling motion in this project. Furthermore, a methodology for modeling and analysis of space mechanism is also presented considering the effects of nonlinear large deformations and joint clearances. Therefore, the dynamic characteristics of the space mechanism can be predicted based on the nonlinear model.. For the study of the characteristics of the geometric nonlinearity of flexible structure using laminated structure coupling the rigid body undergoing a large overall motion, a nonlinear dynamic model of the satellite antenna system is deduced based on multi-body dynamics theory. The complete expressions of nonlinear terms of elastic deformations and joint clearances and coupling terms between rigid motion and large deflection are considered in the dynamic equations. Then, the space thermal loads are analyzed using heat conduction equations. Hence, the modeling theory composed of multi-field coupling factors can be derived. Therefore, the flexible multi-body dynamics formulations of complex models are extended to include elastic components made of laminated composite materials, joint clearances and space thermal effect. Finally, the methodology is applied to the analysis and prediction of space mechanism system, and the methodology plays a decisive role in the behavior of the system for foundational theories of reliability in aerospace engineering.

本项目针对柔性带层合结构航天机构在多耦合场作用下的动态行为特性机理开展深入研究，通过发展适用于柔性层合结构非线性大变形及时变间隙运动副的航天机构动力学新方法，揭示热环境下系统的动态行为规律。. 为了研究多因素耦合作用下大范围运动柔性层合结构几何非线性和耦合效应与航天器中心刚体的精确动力学行为，以航天机构多体动力学为理论基础，研究考虑柔性结构非线性大变形和运动副时变间隙的系统动力学理论及方法；进而，对空间环境热载荷进行分析，得到航天机构在外界环境载荷影响下的动态性能影响规律。因此本项目重点研究考虑柔性层合结构非线性大变形、时变间隙运动副、空间环境及其相互耦合因素的航天机构动力学新模型，并对各个因素影响系统动态行为规律与预测等方面开展大量研究工作，从而为“航天机构使用可靠性系统控制的基础理论”关键科学问题的研究提供理论基础和技术支撑。

层合复合材料结构由于具有高刚度比和强度比、轻质量等优点，因此广泛应用于大型化、复杂化、柔性化和轻质化航天结构工程。由于航天器动态行为特性受到各关节加速度、结构惯性以及振动等因素影响，此类航天机构的运动模态在阻力趋近于零的空间环境中一旦被激发，将持久不衰，其振动引起的弹性变形及精度偏差会影响整个航天器的工作性能，甚至导致系统内能耗散失效。本项目主要研究航天器层合机构及柔性附件进行大范围运动与大变形运动时多体系统动力学建模与仿真技术，及其动态行为预测等一系列共性的理论和关键技术。具体以含铰链副特性的薄壳结构柔性附件为对象研究其非线性动力学模型与仿真；进而以探究大角度转动层合梁/板附件动力学模型的建立与仿真，并通过自主搭建带谐波减速器单自由度可旋转的试验台验证其理论正确性；为适应不同典型层合柔性航天机构的动力学行为与规律探究，本项目自主设计可调节、等效的航天机构力学特征综合实验平台，并通过该平台验证以层合材料桅杆和层合复合抛物反射面为对象的非线性调姿动力学模型，并授权国家发明专利“一种用于空间高低温环境自调节的变径轴”和“一种用于端面活齿谐波传动的齿侧间隙自适应调节装置”，可有效、快捷地完成复杂温度变化环境下的运动副和传动的间隙调节任务。此外，基于绝对节点坐标法建立空间望远镜簇状层合子镜展开及主镜调姿非线性动力学模型，并将其与浮动坐标系法下的动力学相应曲线相比对，并通过综合实验平台验证其模型正确性。本项目充分考虑层合结构非线性、大变形运动以及驱动等因素，对航天机构动态行为特性进行深入研究，可为其它机构建模提供理论基础，因此研究成果将具有可借鉴性和推广性。