月球探测器软着陆动力学分析及动态子结构技术研究

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1、月球探测器软着陆动力学分析及动态子结构技术研究董威利2015年1月中图分类号：V476.3/TB123UDC分类号：629.7/531.3月球探测器软着陆动力学分析及动态子结构技术研究作者姓名董威利学院名称宇航学院指导教师刘莉教授答辩委员会主席申请学位工学博士学科专业飞行器设计学位授予单位北京理工大学论文答辩日期AStudyonSoft-LandingDynamicsandDynamicSubstructuringTechniquesforLunarProbeCandidateName:DongWeiliSchoolorDepartment:Schoo

2、lofAerospaceEngineeringFacultyMentor:Prof.LiuLiChair,ThesisCommittee:DegreeApplied:DoctorofPhilosophyMajor:FlightVehicleDesignDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence:北京理工大学博士学位论文摘要月球探测器安全稳定地着陆于月球表面是我国探月二期工程胜利的重要标志，探测器的软着陆动力学分析是保证任务成功的必要手段。本文面向月球探测器设计工作需要，为准确而精细地预测探

3、测器着陆冲击过程的动力学响应，进而为探测器结构分系统的设计及力学环境试验条件的确定提供依据，采用非线性有限元方法建立探测器软着陆动力学模型，较为全面地考虑各种非线性因素的影响，基于建立的模型对探测器的着陆冲击过程进行分析和研究。同时，为高效地完成面向设计的结构优化和模型修改等任务，进行相应的动态子结构技术研究。着陆冲击过程的仿真效率和精度是月球探测器软着陆动力学分析领域的一对主要矛盾。本文针对此矛盾，结合月球探测器结构设计中遇到的实际问题，以建立等效模型和寻找高效求解策略为切入点，主要开展了如下四方面工作：（1）针对非线性有限元求解耗时长的问题，提出了

4、一种缓冲系统的等效简化模型，大幅度降低了系统中非线性自由度的数目。采用隐式积分算法求解系统运动方程，在保证仿真精度的基础上有效缩短了计算耗时，探测器的软着陆动力学分析时间从常规的1天缩短至1小时。与地面着陆冲击试验数据的对比，关键测点处加速度响应的相对峰值误差在15%以内，证明了简化模型及积分算法的有效性。（2）针对隐式积分算法中局部非线性导致的全局非线性迭代问题，将探测器结构的线性部分作为子结构，在模态域对线性子结构进行了模型降阶。提出了一种基于脉冲响应函数的模态截断准则，可对降阶模型进行二次降阶。经过两次模型降阶，参与非线性运动方程平衡迭代的自由度

5、进一步降低，使得探测器的软着陆动力学分析时间从1小时缩短至千秒量级。与非降阶模型的着陆冲击数值试验结果对比，关键测点处加速度响应的相对峰值误差在5%以内，证明了模态域子结构方法的有效性。（3）针对小阻尼情况下模态域子结构方法无法准确预测探测器加速度响应的问题，基于脉冲子结构方法，提出了一种适用于预测加速度响应的降阶形式的迭代求解格式，并从理论上证明了此格式等价于Newmark隐式积分算法，具有保精度特性和无条件数值稳定性。利用探测器着陆冲击数值试验中测得的缓冲载荷作为激励，分别采用模态域子结构方法和脉冲子结构方法分析了月球探测器的I北京理工大学博士学位

6、论文加速度响应。数值算例表明后者在计算精度和求解效率方面均高于前者，从而验证了降阶形式的脉冲子结构方法相对模态域子结构方法更适于处理探测器的软着陆冲击问题。（4）针对经典脉冲子结构方法无法模拟太阳翼与探测器基体连接元件的柔性特性的问题，提出了线性及非线性刚柔混合铰链描述方法——HJDM和NHJDM。两种方法弥补了经典脉冲子结构方法对连接元件动力学行为的不恰当描述，并可以将连接元件从子结构中独立出来。当连接元件的动力学参数（如质量、阻尼和刚度）改变时可以快速地获得整个系统的响应而不必对子结构进行重分析，有利于对连接元件的动力学参数进行识别与修改，也可通过

7、对连接元件动力性能的优化提高太阳翼等重要有效载荷及仪器设备的动力学特性。另外，NHJDM能够将Newton迭代中使用的等效切向刚度矩阵的维数从全体子结构的自由度总数降低至连接元件自由度数，极大地提高了脉冲子结构法求解局部非线性问题的能力。关键词：月球探测器；软着陆动力学；非线性有限元；模态截断准则；脉冲子结构法；非线性连接II北京理工大学博士学位论文AbstractThesafeandsteadylandingoflunarprobeonthesurfaceofthemoonisasignificantmarkofthesuccessfulcomple

8、tionofthesecondphaseoftheChinesemoon-landingpro