空间绳网捕获过程碰撞动力学研究

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1、硕士学位论文空间绳网捕获过程碰撞动力学研究CONTACTDYNAMICSOFSPACENETONCAPTURINGTARGET张江哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：V476.5学校代码：10213国际图书分类号：629.7密级：公开工程硕士学位论文空间绳网捕获过程碰撞动力学研究硕士研究生：张江导师：赵阳教授申请学位：工程硕士学科：航天工程所在单位：航天学院答辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:V476.5U.D.C.:629.7DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringCONTACT

2、DYNAMICSOFSPACENETONCAPTURINGTARGETCandidate：ZhangJiangSupervisor：Prof.ZhaoYangAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：AerospaceEngineeringAffiliation：DepartmentofAerospaceDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要本学位论文对空间绳网

3、捕获过程中柔性绳网碰撞动力学的建模方法和仿真计算问题进行研究。空间绳网系统是空间绳系系统研究领域的一个新的研究方向，它可以对非合作、数量庞大、外形不规则和具有自旋角速度的空间目标进行捕获，具有极广阔的应用前景。空间绳网具有柔性大、非线性强和数值计算困难等特点，因此对柔性绳网动力学和柔性绳网碰撞动力学建模是研究空间绳网捕获过程的难点。本文基于柔性多体系统动力学理论和碰撞动力学建模方法，对柔性绳网空间捕获过程中的柔性绳网碰撞问题进行了建模和数值仿真研究，主要内容包括：（1）本文介绍了空间绳网的应用背景和国内外关于空间绳系系统研究的发展现状和趋势，并且介绍了与柔性绳网动力学相关的柔性绳索

4、动力学和柔性系统碰撞动力学相关的理论。（2）对空间绳网系统进行了总体设计，包括绳网的构形和折叠抛射方式，仿真结果说明可以采用此种方法。设计的绳网模型为绳网动力学建模和仿真计算提供了具体的研究对象。提出了一组空间绳网系统捕获的性能评价指标，包括瞬时碰撞力、捕获目标速度位移变化量和捕获目标自旋角速度，为评价绳网捕获过程提供了依据。（3）研究了柔性绳网动力学和柔性绳网碰撞动力学建模方法。分别基于集中质量法和绝对节点坐标法建立了绳索单元模型，并推导了绳网的动力学方程。基于非线性弹簧阻尼模型和库仑摩擦模型，推导了碰撞力和摩擦力的计算公式，并给出了碰撞检测的流程以及碰撞检测判据。（4）针对两种

5、绳网动力学模型进行仿真对比分析，结果表明利用绝对节点坐标法建立的中心轴线柔索单元模型比利用集中质量法建立的绳索单元模型更准确，更适合用于大变形柔性绳网系统建模。（5）通过设计不同的仿真工况模拟不同的捕获碰撞情况，结合评价指标从捕获目标姿态、相对运动速度和网格大小三个方面对绳网捕获碰撞过程进行分析。仿真结果表明，捕获目标姿态、相对运动速度和网格大小三个方面均会对绳网捕获碰撞过程产生较大的影响，需要根据实际任务需求设计绳网捕获的策略。关键词：柔性多体系统；绝对节点坐标法；非线性弹簧阻尼模型；碰撞；数值仿真-I-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractThemodelingands

6、imulationoftheflexiblespacenetcollisiondynamicsarestudiedinthisthesis.Spacenetsystemisanewresearchdirectionofspacetethersystem.Spacenetcancapturethetargetswiththefeaturesofnon-cooperation,largequantity,irregularshapeandspinning,soithasaverybroadapplicationprospects.Spacenethasstrongnonlinearch

7、aracteristicsandnumericaldifficulty.Therefore,theflexiblespacenetcollisiondynamicsandflexiblespacenetdynamicsmodelingaredifficultiesintheresearchofspacenetcaptureprocess.Theflexiblespacenetcollisionduringthespacecaptureisstudiedbasedont