星箭隔振器的多体动力学建模、分析与仿真

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1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论1.1课题背景1.1.1课题来源课题来源于国防科工委“十五”民用航天预研项目“星箭隔振与减振技术研究”。主要以改善运载火箭对有效载荷提供的动力学环境为应用背景，对星箭隔振平台进行研究。1.1.2课题研究的目的和意义提高卫星性能、降低成本是当前和未来卫星设计主要考虑的问题。卫星在试验、发射和工作过程中的振动环境直接影响卫星的设计过程。文献[1]表明，在试验和发射阶段，振动环境是导致卫星失效的主要原因。要使卫星能够承受这些载荷，保证在发射过程中的可靠性，就要增加卫星的重量，这大大增加了卫星的成本，减少了搭载其他有效载荷的裕度。星箭

2、连接适配器是运载器和卫星的连接界面，一般情况下，有效载荷适配器的刚度很大，这使得它直接传递绝大部分的动态的和伪静态的发射载荷。整星隔振是在星箭连接适配器(PAF)结构中融合隔振和阻尼减振功能。这种方法全面降低作用在整个卫星上的发射载荷，减少卫星及其部件的失效次数，降低了卫星结构及部件的成本、体积和重量，也减少卫星分析设计和试验的工作量。同时也使得项目管理者在选择运载器时，可以忽略不同发射系统的发射环境差异，有更大的灵活性。但是由于卫星的质心高度与根部连接宽度的比例较大，降低卫星的轴向连接刚度将带来较低频率的卫星转动模态，在卫星顶端产生很大的横向位移，这可能导致运载器

3、控制系统失稳或卫星顶部与整流罩发生碰撞。这给整星隔振带来了挑战，因此必须采取适当的措施来限制有效载荷的横向转动。-1-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文1.1隔振平台的研究综述1.1.1振动抑制综述由于振动抑制系统是降低卫星上的发射载荷、改善卫星动力学环境的有效而重要的部件，因此目前国内外致力于此的研究较多，其种类也是多种多样。比如图1-1所示的粘弹性约束阻尼夹层结构，这是一种减振器，通常是将粘弹性材料夹杂在纤维层之间，以提高复合材料结构的阻尼，其阻尼主要由粘弹性材料层和约束层之间的剪切变形产生。它的优点是结构简单，重量较轻，占用空间较少，但是其刚度不大，对于一些有刚度

4、要求的系统来说显得有些力不从心。图1-1约束阻尼结构截面图1-2金属夹层填充阻尼结构图1-2是一种隔振器的简图，这种隔振器是用阻尼材料填充在弹性金属材料间，其优点是抗冲击能力强，目前已经实际应用在航天领域，但这种结构的减振效果一般，局限了它的应用。事实上，目前对全箭隔振方法基本上存在三种方法，即，被动隔振、主动隔振和被动/主动混合隔振。被动隔振有较长的理论研究和工程应用历史，具有结构简单、易于实现、经济性好、可靠性高等优点，应用很广泛。但是它也有控制效果较差和适应性较差等缺点。主动隔振是近年来提出的一种较为新颖的方法，它克服了被动隔振控制效果差和适应性差等缺点，但同

5、时它也有自己的弱点，就是鲁棒性不好、宽频带减振效果差。为了充分发挥上述两种方法的优点，同时避免各自的缺点，90代年初期，Neubert[2],Smith[3]等提出了在同一-2-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文对象综合应用两种方的被动法隔振/主动方法。这种方法可以收到最佳效果[4,5]，但是有关的理论研究和方法研究还在进行之中，离实际应用还有相当一段距离。多杆隔振平台结构也是一种应用广泛的隔振器，由于这种机构隔振效果好、强度高，而且便于作参数修改，提高了设计的灵活性，更重要的是，可以在杆件上加入主动控制，所以，我们采用的是基于多杆隔振平台结构的类Stewart平台机构

6、。1.1多体动力学建模的发展在航空航天领域中，现代航天器朝着大规模的方向发展，其结构越来越复杂，往往需要安装多块质量轻、柔度相对较大的太阳能电池阵以及大型天线。空间站机器人操作手及目前大型模块化结构的空间站都含有大量的梁、板、壳部件。当系统升空展开时，或卫星进行轨道机动时，这些部件往往产生大的弹性变形、振动，直接影响系统的姿态稳定与控制精度。P.Likins等对柔性系统作了大量研究[6]。首次提出了用离散坐标描述物体的大位移运动，用模态坐标或有限元节点坐标描述物体的弹性变形。他们所建立的数学模型和程序功能多种多样，力学系统可以是柔性树结构，闭环树和可变拓扑等系统。内

7、体约束可以包括定常或非定常、完整或非完整约束。在控制系统中，他们提供了8种可供选挥的传感器和5种可供选择的执行机构，系统方程可进行数值线性化处理，还备有数值积分子程序。Ho，Hooker[7]对内联多刚体末端为柔性体的树状多体航天器动力学进行了研究，Ho用拉氏方法与Newton/Euler方法建立了各个物体的动力学方程，并用他们提出的直接通路法将各物体的运动学量转换到—个指定的主体上，消去物体间的约束力后得到系统的动力学方程。Hang[8]用有限元法得到挠性体的质量分布、刚度分布特征量及弹性变形模态，其弹性变形用结构力学中的静力修正模态和振动模态来描述，刚体转动