基于分布式软作动器的薄膜空间结构热-动力学响应建模与控制

China’s future space mission demands membrane space structures with extremely high accuracy and large size. However, their accuracy and dynamic characteristics can be affected by the complex on-orbit thermal environment. In order to develop high-precision technology of membrane space structures and to perform effective control of thermal-induced deformation/vibration on orbit, it is planned in the project to establish an intelligent membrane system containing distributed soft actuators. Then based on the theories of structural dynamics and control, continuum mechanics and nonlinear vibration, the project focuses on the scientific problems related to thermal-dynamic responses of intelligent membrane space structures and its optimal control based on distributed soft actuators. The major studies in the project include: thermal-electrical-mechanical coupling dynamic modeling and analysis of membrane space structures, optimal control strategy for thermal-induced deformation, and physical or semi-physical experimental tests to simulate thermal-induced deformation and its active control. The major contributions of the project may cover the following aspects: accurately modeling and analyzing the coupling dynamics of temperature, electricity, and displacement fields of membrane systems using nonlinear finite element methods, increasing computation efficiency based on proper model order reduction, optimal grouping control by distributed soft actuators with consideration of limited power-supply channels and measurement information, establishing experimental platform for semi-physical simulation on active control of thermal-induced deformation.

我国未来航天任务需要精度越来越高、尺寸越来越大的薄膜空间结构，而这类结构/机构系统的精度和动力学特性会受到复杂在轨热环境的影响。为了促进高精度薄膜空间结构技术的发展和热致变形/振动在轨控制技术的实现，本项目拟构建含分布式软作动器的智能薄膜系统，以结构动力学与控制、连续介质力学、非线性振动为理论依据，研究智能薄膜空间结构热环境下动力学响应和基于分布式软作动器最优控制的科学问题。主要研究内容包括：薄膜空间结构热-电-变形耦合动力学建模与分析、热致变形最优控制策略、热变形及其控制的物理/半物理仿真实验。主要创新如下：基于非线性有限元法，建立描述薄膜系统温度场、电场、构型场耦合的精确动力学模型，利用降阶模型提高求解和分析效率；考虑有限供电通道和变形测量信息情况下，提出分布式软作动器组合控制的优化算法；建立空间薄膜系统热变形控制的半物理仿真实验平台，验证上述建模、计算和控制方法。

本项目以大型空间结构在轨调控的技术需求为背景，研究在轨热环境下含分布式软作动器的薄膜空间结构动力学建模与控制问题。主要研究进展包括以下四部分：. （1）软作动器动力学建模与优化：提出多层介电弹性体软作动器的新薄膜单元，用于软铰链驱动的薄膜系统折展动力学设计；提出介电弹性体软作动器的新实体单元，实现软作动器控制的多柔体系统动力学模拟；提出介电弹性体软作动器电极拓扑动态优化方法，实现作动性能优化。. （2）分布作动下薄膜空间结构热变形建模与分析：考虑温度场、内压及分布作动，建立充气式球面薄膜空间结构力学模型；分析在轨热辐射，计算不同轨道位置的薄膜结构温度场和位移场，建立在轨全周期热变形分析结果的数据库。. （3）薄膜空间结构热变形分布控制优化：在热分析基础上，求解最小化薄膜结构形面误差的优化问题，得到作动器输入电压的最优分布；考虑有限输入通道数下的分组控制，利用聚类算法逼近最优电压分布，计算最优组合电压；基于在轨全周期热变形和最优电压分布数据库，提出可适应不同工况的电压组合优化迭代流程，实现薄膜结构形面调控的离线控制。. （4）薄膜空间结构变形控制实验：研制介电弹性体软作动器，实现多层堆叠和电极编辑的制备工艺；提出一体化传感与作动的软执行器模型，开展平面薄膜结构变形自适应调控实验；搭建球面薄膜结构变形分布控制实验平台，验证提出的作动器分组控制模式。. 项目成果总结为5篇SCI检索期刊论文和2篇中文核心期刊论文，并获1项授权的国家发明专利。研究成果可望应用于我国航天工程，为实现高精度空间薄膜天线提供理论支撑。. 项目组成员出席国际学术会议1次和国内学术会议7次，其中在国内会议做邀请报告2次，获国内会议优秀论文奖2人次。培养硕士2名，联合培养博士1名。项目负责人入选北京市科学技术协会2021-2023年度青年人才托举工程。