微小衛(wèi)星軟對接動力學分析與系統(tǒng)設計.pdf

1、微小衛(wèi)星軟對接技術對于其在軌操作與功能擴展具有十分重要的研究價值與廣泛的應用前景。接觸問題在軟對接過程中扮演著十分重要的角色，建立精確的動態(tài)接觸模型是微小衛(wèi)星軟對接建模的關鍵環(huán)節(jié)。本文分別采用數值方法與解析方法建立微小衛(wèi)星軟對接動力學模型。其中，數值方法主要通過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)星軟對接動力學建模方法。解析方法主要通過采用Kane分析方法建立軟對接剛柔耦合動力學模型，提高了微小衛(wèi)星軟對接動力學特

2、性的快速預測能力。并進一步開展了地面模擬實驗驗證以及關鍵影響因素分析。通過因素聯(lián)合作用分析，提出基于相對捕獲速度判據的參數設計可行域確定方法，為微小衛(wèi)星軟對接系統(tǒng)參數設計與優(yōu)化提供一定參考與借鑒。論文主要研究內容包括：
　　首先，對變分不等式接觸基本原理及其在微小衛(wèi)星軟對接建模中的應用展開研究，提出了基于變分不等式接觸原理的微小衛(wèi)星軟對接通用建模方法。從接觸問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過程以及數值求解方法

3、。基于變分不等式接觸原理，建立微小衛(wèi)星軟對接動力學模型，并給出相應有限元數值求解方法。通過模型求解與商用有限元軟件仿真結果之間的對比發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)有限元接觸算法基于罰函數理論，實現(xiàn)過程簡單，但無法避免接觸剛度對仿真結果的影響；而變分不等式接觸算法通過引入帶約束優(yōu)化算法，直接求解實際物理情形下接觸問題所滿足的不等式約束條件，在給出合理求解結果的同時，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求解結果的影響。
　　其次

4、，對軟對接動力學解析建模方法展開研究，提出了一種基于Kane分析方法的微小衛(wèi)星軟對接動力學特性快速預測方法。在解析建模過程中，將微小衛(wèi)星軟對接動力學問題分解為三個子問題，分別為剛柔耦合動力學問題、桿錐接觸問題以及對接桿動力學描述問題。進而針對上述三個子問題給出具體求解方法：通過采用Kane分析方法建立微小衛(wèi)星軟對接剛柔耦合動力學模型；基于Hertz橢圓接觸理論建立球頭與內錐面接觸模型；通過考慮剛性星體的影響，推導復雜邊界條件下對接桿振動

5、模態(tài)型函數及其頻率方程。聯(lián)合三個子問題的求解方法，最終獲得對微小衛(wèi)星軟對接動力學問題的求解。接著采用編程算法流程圖，詳細介紹解析模型的編程實現(xiàn)過程。通過將解析模型求解結果同VI模型與LSDYNA仿真結果進行比較分析，驗證解析模型的合理性。
　　接著，對軟對接地面模擬實驗方法展開研究，提出了在地面條件下模擬微小衛(wèi)星軟對接的具體實施方案。軟對接地面實驗系統(tǒng)設計主要包括實驗總體方案、應變測量實驗系統(tǒng)與速度測量實驗系統(tǒng)三部分。實驗總體方案

6、主要闡述地面實驗設計原理及實驗系統(tǒng)組成，通過在地面模擬兩星對接過程，測量對接桿振動變形與兩星平移速度等參量。應變測量實驗系統(tǒng)主要介紹柔性對接桿上各點應變的測量方法以及通過應變間接測量對接桿振動變形的具體實施方法。速度測量實驗系統(tǒng)主要介紹通過視頻法獲取兩模擬星在接觸平面內平移速度變化情況。通過地面模擬實驗，在直觀認識微小衛(wèi)星軟對接動力學過程的同時，對本文所提出軟對接動力學建模方法進行了實驗驗證。
　　進一步地，對軟對接系統(tǒng)主要影響因

7、素及其影響情況展開分析討論。首先通過分析軟對接系統(tǒng)組成情況，確定影響其對接動力學性能的主要參數為以下四種：1)對接桿彎曲剛度；2)對接錐錐角；3)對接桿頂端與內錐面接觸表面光滑度;4)兩星初始相對速度。接著分別探討了上述四種參數單獨或聯(lián)合作用時，對接觸力時間歷程、對接桿變形以及對接桿頂端球頭能否順利進入對接錐末端捕獲區(qū)域等結果的影響情況。
　　最后，對微小衛(wèi)星軟對接系統(tǒng)參數設計展開研究，提出了基于量化指標的參數可行域設計方法。結合

8、微小衛(wèi)星對接捕獲裝置工作原理，定義兩星質心相對速度在目標星軸線方向的分量為兩星相對對接速度，并進一步將捕獲前兩星相對對接速度定義為相對捕獲速度?；谏鲜龆x，提出以兩星相對捕獲速度為判據的微小衛(wèi)星軟對接模型仿真過程中成功實現(xiàn)對接捕獲的量化標準：1)對接桿頂端球頭需運動至對接錐末端捕獲區(qū)域；2)兩星相對捕獲速度處于一定數值范圍內（該值域需根據實際捕獲裝置性能確定）?；诖伺袚謩e探討了對接桿彎曲剛度、對接錐錐角、接觸表面光滑度以及兩星初