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

1、微小衛(wèi)星軟對接技術(shù)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(yīng)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(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)星軟對接動力學(xué)模型。其中，數(shù)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(xué)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?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型，提高了微小衛(wèi)星軟對接動力學(xué)特

2、性的快速預(yù)測能力。并進一步開展了地面模擬實驗驗證以及關(guān)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(jù)的參數(shù)設(shè)計可行域確定方法，為微小衛(wèi)星軟對接系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計與優(yōu)化提供一定參考與借鑒。論文主要研究內(nèi)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(yīng)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(dǎo)過程以及數(shù)值求解方法

3、。基于變分不等式接觸原理，建立微小衛(wèi)星軟對接動力學(xué)模型，并給出相應(yīng)有限元數(shù)值求解方法。通過模型求解與商用有限元軟件仿真結(jié)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(shù)理論，實現(xiàn)過程簡單，但無法避免接觸剛度對仿真結(jié)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(jié)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(jié)果的影響。
　　其次

4、，對軟對接動力學(xué)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(xué)特性快速預(yù)測方法。在解析建模過程中，將微小衛(wèi)星軟對接動力學(xué)問題分解為三個子問題，分別為剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)問題、桿錐接觸問題以及對接桿動力學(xué)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?cè)狁詈蟿恿W(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；通過考慮剛性星體的影響，推導(dǎo)復(fù)雜邊界條件下對接桿振動

5、模態(tài)型函數(shù)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(xué)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(jié)果同VI模型與LSDYNA仿真結(jié)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(shè)計主要包括實驗總體方案、應(yīng)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(shè)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(yīng)變測量實驗系統(tǒng)主要介紹柔性對接桿上各點應(yīng)變的測量方法以及通過應(yīng)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(nèi)平移速度變化情況。通過地面模擬實驗，在直觀認(rèn)識微小衛(wèi)星軟對接動力學(xué)過程的同時，對本文所提出軟對接動力學(xué)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(xué)性能的主要參數(shù)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(nèi)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(shù)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(jié)果的影響情況。
　　最后，對微小衛(wèi)星軟對接系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計展開研究，提出了基于量化指標(biāo)的參數(shù)可行域設(shè)計方法。結(jié)合

8、微小衛(wèi)星對接捕獲裝置工作原理，定義兩星質(zhì)心相對速度在目標(biāo)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(jù)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(biāo)準(zhǔn)：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(shù)值范圍內(nèi)（該值域需根據(jù)實際捕獲裝置性能確定）?；诖伺袚?jù)，分別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