航天器中含间隙机构非线性动力学问题及其研究进展

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1、维普资讯http://www.cqvip.com第2卷第2期动力学与控制学报Vo1．2No．22004年6月JOURNAIOFDYNAMICSANDCONTROLJun．2004航天器中含间隙机构非线性动力学问题及其研究进展阎绍泽(清华大学精密仪器与机械学系．北京l00084)摘要介绍了航天器中含间隙空间机构动力学的研究进展．论述了间隙非线性研究对新型航天器设计及在轨运行性能分析的重要意义．提出了待解决的若干含间隙空间机构动力学关键问题，其中包括空间机构间隙接触非线性动力学分析设计、在轨运行机构稳定性分析．以及在轨

2、含间隙空间机构动力学性能全局预测模拟的仿真软件研制等．关键词间隙，动力学，接触．碰撞空间机构性能下降，甚至导致飞行任务失败的事例．前言美国的Hubble太空望远镜于1990年入轨后，由于航天机械系统中普遍存在的运动副间隙是影响热循环导致太阳能帆板的“卡死一滑动”周期性运系统性能及动力学特性的关键因素之一．虽然多体动，导致对定点的扰动l_l～；我国发射的东三卫星由系统动力学发展已有近三十年的历史，但在预测和于铰关节间隙的存在，出现了颤振l_3．分析含铰接间隙的柔性多体机械系统动力学特性要解决航天器中含间隙机构动力学的

3、一系列技时，仍然存在明显的不足．目前，考虑间隙的多体系术问题，从动力学建模、数值仿真到试验研究等难度统动力学理论研究已成为宇航、机械、工程力学等领都很大．因为空间运行环境与地面条件相差甚远，而域的研究热点之一4202~由于空间机构特殊的使用在地面试验模拟空间环境和飞行器的多种运动组合要求和运行环境，太空中运动副间隙对机构性能有是十分困难的，且代价昂贵，因此仿真计算必不可着非常重要的影响．开展考虑连接铰间隙的航天器少一．但是要做到接近真实的空间飞行器的运行，目在轨机构非线性动力学研究，对推动航天器机构设前所建立的模型

4、和软件还远远不够，需进一步扩充计向最优化、精密化方向发展，促进航天器动力学模和完善，这包括对空间环境条件的考虑(重力场、空拟和设计水平的提高，具有重要的理论意义和工程气阻力、辐射等)、间隙接触非线性的描述、干扰模式实际价值．问题及其稳定性分析．这都是目前国内外宇航界急待解决的基本问题．1基本问题及其研究进展空间环境的一些物理量变化加剧了间隙影响的1．1基本问题“随机”特征，诸如向阳与背阳的温差诱发的热变形在复杂构形航天器中存在着带活动铰连接的机并产生内应力，或内力释放产生间隙、重力场变化导构(简称空间机构)，它是一

5、种典型的航天多铰接机致无定向性的漂浮，高真空下物理表面变化引起摩械系统．实际结构的工艺制造和装配误差，不可避免擦阻尼的改变，其它为空气阻力、光照、辐射引起外在连接铰处存在间隙，在机构运动过程中，组成间隙载荷、热源变化，引起结构应力变化以及材料的蜕变铰的元素间常常产生限位内碰撞，使机构产生非线等众多因素，都将对含间隙铰空间机构动态特性产性动力学响应．间隙接触非线性对空间机构动力学生影响．性能的影响已为在轨飞行和地面试验所证实’。．1．2研究进展在航天工程中，国内外均出现了由于连接非线性使国内外对复杂航天器考虑间隙的多

6、铰接机械系200404l5收到第l稿．2004—05一l7收到修改稿*国家自然科学基金资助项目(50275080)．维普资讯http://www.cqvip.com第2期阎绍泽：航天器中含间隙机构非线性动力学问题及其研究进展49统动力学仿真和应用研究已开展了多年．在对含间还有很多理论与试验技术问题没有彻底地解决，例隙机构多体动力学模型研究方面，Bauchau等一给如在轨空间机构间隙接触非线性动力学分析设计问出了一种柔性多体系统中典型间隙铰的运动学描述题。以及在太空环境载荷和各种干扰因素下航天器方法；Zakharie

7、v一研究了机械系统中间隙铰摩擦力机构在轨运行稳定性分析问题．在试验研究方面，美和约束力，探讨了含间隙系统非线性动力学模型的国等发达国家在含间隙航天机构和结构动力学方面求解方法．在含间隙航天机构或结构研究方面，做了大量的试验研究工作，我国在含间隙空间机构Hayasaka等研究了间隙和重力对铰连接桁架结试验研究方面还比较薄弱．构动力学响应的影响；Moon等一在实验中观察到2待解决的关键问题铰连接空间桁架结构的混沌振动；Folkman等。。研究了间隙和重力对铰连接空间结构阻尼的影响．在多体动力学理论中，对间隙及其内碰撞的

8、处Bullock等对转动铰做的微动力学测试表明：滚理还很不完善，许多基本问题未能得到充分研究．对珠表面不平度对微米和纳米级的动力学特性没有影于复杂构型的含间隙航天器机构动力学，寻求解析响，Hertz接触理论仍可使用；法向接触力和摩擦力解几乎是不可能的，数值方法和试验研究方法是解均存在滞回(hysteresis)现象．Hachkowski等一”一在决含间隙机构