空间站柔性展开机构仿真方法研究.pdf

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1、第19卷第6期载人航天v。1．19N。．62013年11月MannedSpaceflightNov．2013空问站柔性展开机构仿真方法研究王碧1’2，时军委1，肖余之1，2(t．上海宇航系统工程研究所，上海201109；2．上海市空间飞行器机构重点实验室上海201108)工程技术摘要：空间站展开机构是典型的大型多柔体系统，其展开收拢过程涉及非线性大变形以及接触碰撞问题。首先采用绝对节点坐标法作为柔性体的建模方法，建立了梁单元的有限元单元格式，然后基于拉格朗日方法和Hertz接触理论建立了考虑接触碰撞问题的柔性多体系统动力学方程，采用向后差分方法数值求解柔性多体系统的微分代数方

2、程，最后以自由梁、．间,ez-支梁和柔性单摆进行数学仿真验证。结果表明，该方法可用作我国空间站大型柔性太阳电池翼的设计分析参考。关键词：多柔体系统；绝对节点坐标法；接触碰撞；微分代数方程；向后差分方法中图分类号：V423．7+2文献标识码：A文章编号：1674-5825(2013)06-0001-08StudyonSimulationMethodofFlexibleLatticeMastsofSpaceStationWangBil一，ShiJunweil，XiaoYuzhil，2(1．AerospaceSystemEngineeringShanghai，Shanghai201

3、109，China；2．ShanghaiKeylaboratoryofSpacecraftMechanism，Shanghai201108，China)Abstract：FlexibleLatticeMastofSpaceStation，atypicalflexiblemulti．bodysystem，oftenunder—goesnonlinearlagerdeformationsandinvolvescollision．Firstly．absolutenodalcoordinateformula—tionwasproposedasamodelingmethodtodesc

4、ribeflexiblebodiesandthefiniteelementformatofbeamelementwasbuilt．Secondly，theequationsofmotionofflexiblemulti．bodysystems．whichconcernaboutcontact，werebuiltbytheLagrangemethodandcalculatedwithHertzcontacttheory．Then．backwarddifferentiationformulawasappliedtosolvethedifferentialalgebraicequa

5、tionnu—merically．Finally，threeexampleswereusedtodemonstratetheuseofabsolutenodalcoordinatefor—mulationinthedynamicsimulationofflexiblemulti．bodysystems．Theresultsshowedthattherood—clingmethodcouldbeusedinthedesignofalargeflexiblesolararrayofspacestation．Keywords：flexiblemuhibodysystem；absol

6、utenodalcoordinateformulation；contactandconflict；differentialalgebraicequation：backwarddifferentiationformula1引言随着空间遥感、空间站工程等太空活动的增加，研制尺寸大、质量轻、刚度好的空间柔性可展开机构显得尤为重要，目前已得到国内外众多宇航研究机构的广泛关注，并已得到了一定程度的应用。美国AEC，Able公司近年来成功应用的盘绕式伸展机构(图1)，就是一种经典的构架伸展臂，其构造简单、刚性高、抗振性好、可靠性高、收纳率高。盘绕式伸展机构，靠3根纵向桅杆产生弯曲变形，实

7、现其伸展收拢过程，这一过程一直是研究收稿日期：20134)6—15；修回日期：20134)9—10基金项目：上海科学委员会资助(06D222105)作者简介：王碧(1989·)，女，硕士，研究方向为多体动力学仿真，E-mail：wangbi0711370103@yeah．net2载人航天第19卷的难点，涉及非线性大变形问题且动力效应复杂，国内外已有的理论分析和模拟未能解决⋯。因为运动过程中弹性变形与大范围空间运动的动力学耦合现象非常明显，仅仅用多刚体动力学理论已无法满足仿真的真实性要求，一些文献采用小变