微小衛(wèi)星軟對(duì)接動(dòng)力學(xué)分析與系統(tǒng)設(shè)計(jì).pdf

1、微小衛(wèi)星軟對(duì)接技術(shù)對(duì)于其在軌操作與功能擴(kuò)展具有十分重要的研究?jī)r(jià)值與廣泛的應(yīng)用前景。接觸問(wèn)題在軟對(duì)接過(guò)程中扮演著十分重要的角色，建立精確的動(dòng)態(tài)接觸模型是微小衛(wèi)星軟對(duì)接建模的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文分別采用數(shù)值方法與解析方法建立微小衛(wèi)星軟對(duì)接動(dòng)力學(xué)模型。其中，數(shù)值方法主要通過(guò)引入變分不等式接觸理論，提出了基于變分不等式接觸原理的微小衛(wèi)星軟對(duì)接動(dòng)力學(xué)建模方法。解析方法主要通過(guò)采用Kane分析方法建立軟對(duì)接剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，提高了微小衛(wèi)星軟對(duì)接動(dòng)力學(xué)特

2、性的快速預(yù)測(cè)能力。并進(jìn)一步開(kāi)展了地面模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證以及關(guān)鍵影響因素分析。通過(guò)因素聯(lián)合作用分析，提出基于相對(duì)捕獲速度判據(jù)的參數(shù)設(shè)計(jì)可行域確定方法，為微小衛(wèi)星軟對(duì)接系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供一定參考與借鑒。論文主要研究?jī)?nèi)容包括：
　　首先，對(duì)變分不等式接觸基本原理及其在微小衛(wèi)星軟對(duì)接建模中的應(yīng)用展開(kāi)研究，提出了基于變分不等式接觸原理的微小衛(wèi)星軟對(duì)接通用建模方法。從接觸問(wèn)題基本約束條件出發(fā)，介紹變分不等式接觸基本方程的推導(dǎo)過(guò)程以及數(shù)值求解方法

3、。基于變分不等式接觸原理，建立微小衛(wèi)星軟對(duì)接動(dòng)力學(xué)模型，并給出相應(yīng)有限元數(shù)值求解方法。通過(guò)模型求解與商用有限元軟件仿真結(jié)果之間的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)有限元接觸算法基于罰函數(shù)理論，實(shí)現(xiàn)過(guò)程簡(jiǎn)單，但無(wú)法避免接觸剛度對(duì)仿真結(jié)果的影響；而變分不等式接觸算法通過(guò)引入帶約束優(yōu)化算法，直接求解實(shí)際物理情形下接觸問(wèn)題所滿足的不等式約束條件，在給出合理求解結(jié)果的同時(shí)，可有效避免接觸面之間相互侵入現(xiàn)象的發(fā)生以及用戶自定義接觸剛度對(duì)求解結(jié)果的影響。
　　其次

4、，對(duì)軟對(duì)接動(dòng)力學(xué)解析建模方法展開(kāi)研究，提出了一種基于Kane分析方法的微小衛(wèi)星軟對(duì)接動(dòng)力學(xué)特性快速預(yù)測(cè)方法。在解析建模過(guò)程中，將微小衛(wèi)星軟對(duì)接動(dòng)力學(xué)問(wèn)題分解為三個(gè)子問(wèn)題，分別為剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)問(wèn)題、桿錐接觸問(wèn)題以及對(duì)接桿動(dòng)力學(xué)描述問(wèn)題。進(jìn)而針對(duì)上述三個(gè)子問(wèn)題給出具體求解方法：通過(guò)采用Kane分析方法建立微小衛(wèi)星軟對(duì)接剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型；基于Hertz橢圓接觸理論建立球頭與內(nèi)錐面接觸模型；通過(guò)考慮剛性星體的影響，推導(dǎo)復(fù)雜邊界條件下對(duì)接桿振動(dòng)

5、模態(tài)型函數(shù)及其頻率方程。聯(lián)合三個(gè)子問(wèn)題的求解方法，最終獲得對(duì)微小衛(wèi)星軟對(duì)接動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的求解。接著采用編程算法流程圖，詳細(xì)介紹解析模型的編程實(shí)現(xiàn)過(guò)程。通過(guò)將解析模型求解結(jié)果同VI模型與LSDYNA仿真結(jié)果進(jìn)行比較分析，驗(yàn)證解析模型的合理性。
　　接著，對(duì)軟對(duì)接地面模擬實(shí)驗(yàn)方法展開(kāi)研究，提出了在地面條件下模擬微小衛(wèi)星軟對(duì)接的具體實(shí)施方案。軟對(duì)接地面實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括實(shí)驗(yàn)總體方案、應(yīng)變測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與速度測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)三部分。實(shí)驗(yàn)總體方案

6、主要闡述地面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成，通過(guò)在地面模擬兩星對(duì)接過(guò)程，測(cè)量對(duì)接桿振動(dòng)變形與兩星平移速度等參量。應(yīng)變測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要介紹柔性對(duì)接桿上各點(diǎn)應(yīng)變的測(cè)量方法以及通過(guò)應(yīng)變間接測(cè)量對(duì)接桿振動(dòng)變形的具體實(shí)施方法。速度測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要介紹通過(guò)視頻法獲取兩模擬星在接觸平面內(nèi)平移速度變化情況。通過(guò)地面模擬實(shí)驗(yàn)，在直觀認(rèn)識(shí)微小衛(wèi)星軟對(duì)接動(dòng)力學(xué)過(guò)程的同時(shí)，對(duì)本文所提出軟對(duì)接動(dòng)力學(xué)建模方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　進(jìn)一步地，對(duì)軟對(duì)接系統(tǒng)主要影響因

7、素及其影響情況展開(kāi)分析討論。首先通過(guò)分析軟對(duì)接系統(tǒng)組成情況，確定影響其對(duì)接動(dòng)力學(xué)性能的主要參數(shù)為以下四種：1)對(duì)接桿彎曲剛度；2)對(duì)接錐錐角；3)對(duì)接桿頂端與內(nèi)錐面接觸表面光滑度;4)兩星初始相對(duì)速度。接著分別探討了上述四種參數(shù)單獨(dú)或聯(lián)合作用時(shí)，對(duì)接觸力時(shí)間歷程、對(duì)接桿變形以及對(duì)接桿頂端球頭能否順利進(jìn)入對(duì)接錐末端捕獲區(qū)域等結(jié)果的影響情況。
　　最后，對(duì)微小衛(wèi)星軟對(duì)接系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)展開(kāi)研究，提出了基于量化指標(biāo)的參數(shù)可行域設(shè)計(jì)方法。結(jié)合

8、微小衛(wèi)星對(duì)接捕獲裝置工作原理，定義兩星質(zhì)心相對(duì)速度在目標(biāo)星軸線方向的分量為兩星相對(duì)對(duì)接速度，并進(jìn)一步將捕獲前兩星相對(duì)對(duì)接速度定義為相對(duì)捕獲速度?；谏鲜龆x，提出以兩星相對(duì)捕獲速度為判據(jù)的微小衛(wèi)星軟對(duì)接模型仿真過(guò)程中成功實(shí)現(xiàn)對(duì)接捕獲的量化標(biāo)準(zhǔn)：1)對(duì)接桿頂端球頭需運(yùn)動(dòng)至對(duì)接錐末端捕獲區(qū)域；2)兩星相對(duì)捕獲速度處于一定數(shù)值范圍內(nèi)（該值域需根據(jù)實(shí)際捕獲裝置性能確定）?；诖伺袚?jù)，分別探討了對(duì)接桿彎曲剛度、對(duì)接錐錐角、接觸表面光滑度以及兩星初