复杂约束下的卫星结构机构设计与动力学仿真分析

发布时间：2017-10-23 10:50

  本文关键词：复杂约束下的卫星结构机构设计与动力学仿真分析

  更多相关文章： 航天器结构机构 复杂设计约束 太阳帆 耦合系数 有限元

【摘要】：航天技术作为当今世界最具带动性与挑战性的高科技领域之一,已经成为国家综合实力、国家命运以及国家政治的重要性标志。航天器是在地球大气层以外对宇宙空间进行探索、开发和利用等执行特定空间任务的飞行器,航天器结构机构分系统设计及其结构动力学仿真分析技术是非常重要的航天器技术问题之一,它们对保证空间科学探测任务成功实施具有很关键的作用。越来越受到重视的体积小、质量轻、功能强、高可靠的集约型航天器,由于其设计约束严格,使得结构机构分系统设计变得十分困难,复杂约束条件下的航天器结构机构分系统设计以及相关的结构动力学问题急需一套具体可行的设计方法予以指导。本文以DSL、分离载荷项目中的航天器结构机构设计为应用背景,通过运用“约束围绕式”设计方法,对项目中主星、子星在复杂多约束条件下进行了相关的结构机构设计与有限元仿真分析,得到了较为满意的航天器整体结构机构设计方案,验证了设计方法的可行性与实用性;以方形太阳帆航天器深空探测项目为应用背景,通过对三种模型的有限元建模、分析、验证计算,得到了方形太阳帆航天器结构姿态耦合系数矩阵计算的一套处理方法,为其进行姿态控制分系统设计提供了参数基础。本文的主要工作和创新点如下:1、在航天器结构机构设计方法方面,提出了一种在总体设计层面适用于复杂多约束条件下航天器结构机构设计的“约束围绕式”设计方法,提出了对于具有复杂多约束设计背景问题处理过程中的自然约束条件自我分析与耦合分析两大模块。通过以DSL、分离载荷项目中的航天器结构机构设计为应用背景,分别对子星与主星的结构设计工作进行了设计约束条件的自我分析与耦合分析,明确了关键约束条件与核心约束条件,降低了迭代设计过程50%以上的复杂度,对复杂多约束的强耦合性进行了一定程度的解耦,加快了迭代过程至少一倍以上的速度,获得了较为满意的结构机构设计方案,通过了有限元结构仿真验证,解决了具有复杂多约束的结构机构设计难题。2、针对大型方形太阳帆航天器,利用“约束围绕式”分析方法分析了其大量模态质量百分比密集性特性,提出了一种耦合系数矩阵求解的模型简化、定量验证的成套计算方法,针对具体的方形太阳帆航天器模型给出了两种简化等效模型,分别进行了有限元非线性静力仿真分析与预应力模态仿真分析;结合挠性航天器中心刚体加挠性附件耦合系数矩阵有限元计算理论,通过有限元分析,得出了满足惯量完备性的耦合系数矩阵;结合简化模型在姿态控制理论上的合理性分析,解决了无法通过模态质量百分比进行模态提取来满足惯量完备性的方形太阳帆航天器完整模型的耦合系数矩阵计算问题。本文进行的复杂约束条件结构机构设计与挠性结构耦合系数矩阵计算的研究分析工作,解决了特定结构形式航天器的结构机构设计与耦合动力学仿真计算问题,在理论研究层面与具体可行方法层面具有学术参考价值,对我国航天器结构机构技术的发展具有重要意义。
【关键词】：航天器结构机构 复杂设计约束 太阳帆 耦合系数 有限元
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V414
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-21
• 第一章 绪论21-71
• 1.1 研究背景及意义21-23
• 1.2 国内外研究现状23-67
• 1.2.1 微小卫星发展现状23-40
• 1.2.2 结构构型设计40-48
• 1.2.3 载荷布局设计48-51
• 1.2.4 分离释放机构设计51-63
• 1.2.5 挠性结构问题63-67
• 1.3 论文主要内容与结构安排67-71
• 第二章 航天器结构机构设计理论及复杂约束处理方法71-99
• 2.1 引言71
• 2.2 航天器结构设计基本理论71-75
• 2.2.1 结构构型设计72
• 2.2.2 结构设计要求确定72-73
• 2.2.3 结构材料、连接方式选择73
• 2.2.4 结构初步设计分析与方案遴选确定73-74
• 2.2.5 结构详细设计74-75
• 2.3 航天器机构设计基本理论75-78
• 2.3.1 机构设计特点与基本原则75
• 2.3.2 机构设计基本技术要求75-77
• 2.3.3 压紧与释放机构设计要素77-78
• 2.4 结构分析有限元数值方法基本理论78-85
• 2.4.1 有限元基本计算方法79-81
• 2.4.2 结构动力学有限元分析理论81-83
• 2.4.3 几何非线性有限元分析理论83-85
• 2.5 结构机构复杂约束设计处理方法85-96
• 2.5.1“约束围绕式”设计方法定义与结构86-89
• 2.5.2 自然约束条件分析与关键约束条件提取89-92
• 2.5.3 初步总体设计与最终总体设计92-95
• 2.5.4 设计方法要素说明95-96
• 2.6 本章小结96-99
• 第三章 一主多从DSL微小卫星结构机构方案设计与仿真99-153
• 3.1 引言99
• 3.2 子星结构方案设计与仿真99-117
• 3.2.1 设计输入分析与确定101-105
• 3.2.2 CZ阶段的星上设备布局设计105-107
• 3.2.3 ZZ阶段的子星设备布局设计完善107-108
• 3.2.4 ZZ阶段的子星主框架结构设计108-109
• 3.2.5 ZZ阶段的子星结构完整设计方案109-111
• 3.2.6 子星模态有限元仿真111-116
• 3.2.7 子星最终总体设计方案总结116-117
• 3.3 主星结构方案设计与仿真117-142
• 3.3.1 设计输入分析与确定119-125
• 3.3.2 CZ阶段的主星构型设计125-131
• 3.3.3 ZZ阶段的主星舱内设备布局设计131-132
• 3.3.4 ZZ阶段的主星主框架结构设计132-135
• 3.3.5 ZZ阶段的主星及整星结构完整设计方案135-137
• 3.3.6 主星模态有限元仿真137-141
• 3.3.7 主星最终总体设计方案总结141-142
• 3.4 夹紧释放机构方案设计142-151
• 3.4.1 设计输入与功能要求143
• 3.4.2 夹紧释放机构总体方案设计143-144
• 3.4.3 子星夹紧释放结构设计144-145
• 3.4.4 主星夹紧释放机构设计145-149
• 3.4.5 夹紧释放机构工作原理149-151
• 3.4.6 夹紧释放机构工作过程151
• 3.4.7 夹紧释放机构设计结论151
• 3.5 本章小结151-153
• 第四章 多维强约束分离载荷结构方案设计与仿真153-183
• 4.1 引言153-154
• 4.2 主星结构方案设计与仿真154-181
• 4.2.1 设计输入分析与确定156-163
• 4.2.2 CZ阶段的主星构型设计163-168
• 4.2.3 ZZ阶段的主星舱内设备布局设计168-170
• 4.2.4 ZZ阶段的主星主框架结构设计170-172
• 4.2.5 ZZ阶段的主星及整星结构完整设计方案172-174
• 4.2.6 主星模态有限元仿真174-179
• 4.2.7 主星最终总体设计方案总结179-181
• 4.3 本章小结181-183
• 第五章 太阳帆航天器结构耦合动力学计算及机构设计183-219
• 5.1 引言183-184
• 5.2 非线性静力学有限元仿真分析184-188
• 5.2.1 有限元模型建立184-185
• 5.2.2 材料属性185
• 5.2.3 边界条件与分析工况185-187
• 5.2.4 非线性静力分析结果187-188
• 5.3 预应力模态有限元仿真分析188-191
• 5.3.1 有限元模型建立188-189
• 5.3.2 材料属性189
• 5.3.3 边界条件与分析工况189-190
• 5.3.4 预应力模态仿真分析结果190-191
• 5.4 结构姿态耦合系数计算191-210
• 5.4.1 结构姿态耦合系数有限元计算方法191-194
• 5.4.2 太阳帆航天器完整模型耦合系数计算194-197
• 5.4.3 太阳帆全杆简化模型耦合系数计算197-203
• 5.4.4 太阳帆全帆简化模型耦合系数计算203-210
• 5.4.5 太阳帆航天器耦合系数计算总结210
• 5.5 姿态控制滚转轴稳定机设计210-217
• 5.5.1 RSB结构机构设计211-212
• 5.5.2 RSB工作原理212
• 5.5.3 RSB转杆长度设计212-216
• 5.5.4 转杆极限转速计算216-217
• 5.5.5 RSB转杆设计结果217
• 5.6 本章小结217-219
• 第六章 结论219-223
• 6.1 主要工作及创新点219-220
• 6.2 工作展望220-223
• 参考文献223-237
• 在学期间主要的研究成果及参加的科研项目237-239
• 主要的研究成果237
• 主要参加的科研项目237-239
• 致谢239-240

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 袁家军;陈s叛，

本文编号：1083030