航天器驱动机构的非线性动力学建模与参数识别方法研究

The research studies moving components of spacecraft driving mechanism. Considering the effect of operating environment and characteristics of complex load of the moving parts of driving mechanism, friction and wear properties of the transmission interface are investigated based on many experiments on the moving components of the driving mechanism. A time-varying hysteretic model characterizing friction and wear is proposed combined with experimental data, and a non-smooth time-varying hysteretic kinetic model is raised characterizing clearance by non-smooth, friction by hysteresis and wear by time-varying features so as to describe and predict friction and wear properties manifested in the experiments as much as possible. The model is introduced to study the nonlinear dynamic responses of the driving mechanism, reveal the influence of local nonlinearity of moving parts on the dynamic behaviors of driving mechanism, and put forward a novel method of vibration control of spacecraft electromechanical driving mechanism.

本项研究以航天器驱动机构运动部件为研究对象，考虑驱动机构运动部件运行环境效应与复杂载荷表征，在对驱动机构运动部件进行多方实验的基础上，研究传动副界面摩擦磨损特性，并结合实验数据，提出表征摩擦力和磨损的时变滞回模型，提出利用非光滑表征间隙、滞回特性表征摩擦、时变特性表示磨损等，建立能表征以上特性的非光滑时变滞回动力学模型，使之尽可能多的描述并预报实验中所呈现的摩擦磨损特性；并利用此模型研究驱动机构系统的非线性动力响应，揭示运动部件局部非线性对驱动机构动力学行为的影响规律，并提出航天器机电驱动机构振动控制的新方法。

本项目以航天器驱动机构运动部件为研究对象，对含间隙传动副系统的建模、非线性动力学特性和控制进行了研究。首先建立了含单侧间隙的系统动力学模型进行分析，研究含单侧间隙模型的参数特性；然后根据实际航天器驱动机构运动部件的特征，建立符合实际运行情形的含双侧间隙的系统动力学模型，获得系统的动力学特性，以及在特定间隙和外激励影响下产生的非线性混沌分岔现象；进而考虑时变间隙情形下，对系统进行扩展建模和稳定性分析，对间隙磨损情形下系统可能发生的非线性行为进行了研究；针对驱动机构的关键部件谐波齿轮减速器进行了动力学模型的建立和参数辨识，并搭建了谐波齿轮减速器刚度测量实验台，为系统动力学模型中的滞回刚度建模提供了实验验证。结合工程实例对驱动机构整体和各个部件进行扭振仿真分析，找出影响整体系统响应的因素，提出了被动阻尼控制措施，从而抑制间隙非线性引起的振动，改善系统的动态特性；针对间隙非线性系统振动，基于智能PID控制方法，分析了控制驱动力与系统非线性振动的内在关联，提出了基于固态智能材料的驱动传动系统的振动主动控制方法。本项研究工作偏重于航天器展开机构非线性动力学基础研究和应用基础研究，所建立和发展的面向航天器驱动机构运动部件建模技术、动力学分析与控制的理论和方法，为驱动机构的前期设计的优化和改进提供了理论支撑，为提高驱动机构定位精确度和稳定性提供了帮助。本项目已发表学术论文15篇，其中国际期刊7篇，国内期刊4篇，国际学术会议2篇，国内学术会议2篇；被SCI检索7篇，EI检索2篇，另有3篇国际期刊和2篇国内期刊论文在审。申请或授权国家发明专利3项，培养博士研究生6名，硕士研究生3名。