月球探测器加速度响应预测的时域子结构方法

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaMar．252015V01．36No．3848-856ISSN1000—6893ON11-1929／Vhttp：#hkxb．buaa．edu．cahkxb@buaa．edu．CRDOI：10．7527／S1000—6893．2014．0080月球探测器加速度响应预测的时域子结构方法董威利，刘莉*，周思达北京理工大学宇航学院飞行器动力学与控制教育部重点实验室，北京100081摘要：航天器结构的El益复杂和庞大为全系统级的动力学仿真带来了更大的困难和挑战，目前主要采用动态子结构法来提高分析求解效率，并解决不

2、同设计部门之间的模型共享和技术保护问题。月球探测器软着陆阶段的冲击力学环境一般由加速度冲击响应谱描述，由于高阶振型对结构加速度响应的影响要比对位移响应的影响大得多，所以在小阻尼情况下，经典的基于模态的子结构方法在相同截断频率下对加速度响应的预测精度远低于位移响应。为解决这一问题，引进基于脉冲响应函数的时域子结构(IBS)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。利用探测器着陆数值模拟试验中测得的缓冲机构作用力作为激励，分别采用固定界面模态综合(CB)法和IBS方法分析了月球探测器的加速度响应。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，并说明基于脉冲

3、响应函数的子结构方法适于对月球探测器加速度响应进行高精度快速预测。关键词：月球探测器；模态综合法；动态子结构法；时域；脉冲响应中图分类号：V415．4；V476．3文献标识码：A文章编号：1000—6893(2015)03—0848—09随着航天技术的发展和对工程结构动态设计要求的提高，航天器结构系统变得日益复杂和庞大。在动态分析和优化设计过程中，由于模型自由度较多，不得不耗费大量时间进行计算。另一方面，许多航天器在研制过程中往往需要不同地域甚至不同国家之间的合作，考虑到技术保护问题，合作双方无法直接共享有限元模型。动态子结构方法就是为解决上述问题而发展起来的一种较为理想的方法。

4、子结构概念的思想起源于19世纪末法国数学家Schwarz提出的区域分解法[1](DomainDecompositionMethod)，将一个复杂边值问题分解为若干子区域上的简单边值问题，然后通过子区域相邻边界上的相容性条件得到整个问题的解。动态子结构法发展至今主要形成了两类分支[2]：时域子结构法和频域子结构法。时域子结构法主要是指以瑞利一里兹法为理论基础的模态综合(ComponentModalSynthe—sis，CMS)法，它截取结构的低阶模态振型作为里兹基，导出减缩自由度的以模态坐标表示的整体结构动力学方程。自1960年起，Hurty[31和Gladwell[43首先提出模

5、态分析方法以来，国际上逐步展开了对模态综合技术的研究。Craig和Bampton[53在Hurty[63研究的基础上作了部分改进，将里兹基简化成主模态和约束模态两类，形成了现在工程界常用的固定界面模态综合法。接着，Hou[71提出了自由界面模态综合法，在经过了Macneal[81和Rubin[91对高阶模态截断误差的修正后，Craig和Chang[1叩以及王文亮等[11]总结了前人的方法将剩余模态纳入里兹基，分别提出了双协调的动态子结构法从而确立了现在的自由界收稿日期：2014—03-24；退修日期：2014-04-14；录用El期：2014．04．25；网络出版时间：2014—

6、05—0717：02网络出版地址：WWWcnki．net／kcms／detail／10．7527／$1000．6893．2014．0080．htmI基金项目：北京理工大学基础研究基金(20120142009)*通讯作者．Tel．：010-68914534E．mail：liuli@bitedu．cn戮用榕武tDongWL．LiuL，ZhouSD．Accelerationresponsepredictionforlunarlanderusingtime-domainsubstructuremethods厶J]．ActaAeronauticaetAstronauticaSmica·20

7、15，36(3)：848·856．董威翻．劫莉．周思达．月球探溯器加速度响应预测的时蛾子结构方法￡Jj。航空学报．2015．36(3)：848-856．董威利等：月球探测器加速度响应预测的时域子结构方法面模态综合法。与固定界面模态综合法相比，自由界面模态综合法精度较高，且综合后的自由度数不受子结构界面坐标数的限制，但方法复杂。为了克服以上2类方法的缺点，Benfield和Hru—da[1纠提出了混合界面模态综合法，拓展了模态综合法的应用范围。频域子结构法是在频域内进行子结构综合的