刚柔耦合状态下索杆式伸展臂多体动力学研究

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1、V01．20No．3航天器工程第20卷第3期70SPACECRAFTENGINEERING2011年5月刚柔耦合状态下索杆式伸展臂多体动力学研究马凯1程刚1彭慧莲2(1北京空间飞行器总体设计部，北京丁锋1100094)(2清华大学航天航空学院，北京100084)摘要索杆式伸展臂在展开过程中，其斜拉索存在大运动和大变形问题，运用传统分析方法进行仿真分析难度较大。文章基于非线性弹性理论的绝对节点坐标方法，描述了斜拉索的空间运动和变形，研究了横向框架在贮存段、消旋段、提升段和套筒外的动力学特性，实现了索一刚体组成耦合系统的多体动力学数值仿真。关键词航天器；索杆式伸展臂；大变形索梁单元；刚

2、柔耦合；数值仿真中图分类号：V447；0313．7文献标志码：A文章编号：1673—8748(2011)03一0070—05Multi—bodyDynamicSimulationoftheCable—strutDeployableArticulatedMastUndertheRigid_flexCouplingStateMAKailCHENGGan91PENGHuman2DINGF毛n91(1BeijingInstituteofSpacecraftSystemEngineering，Beijing100094，China)(2SchoolofEngineeringMechanics

3、，TsinghuaUniversity，Beijing100084，China)AbstI-act：Undertherigid—flexcouplingstate，thedynamicsimulationforthedeployableprocessofthecable—strutdeployablearticulatedmastiscarriedout．Becauselargemotionandlargede—formationoccurintheoblique—dragcablesofthemast，itisdiffjculttosimulatethedeployingproc

4、essofthemastbyemployingthetraditionalanalysismethod．Thepaperadoptstheabsolutenodalcoordinateformulationbasedonthenon—linearelastictheorytodescribethespacemotionanddeformationofoblique—dragcables，analyzesthedynamiccharactersoftransverseframeinstoragesegment，despinsegemnt，drivingsegmentandoutofs

5、leeve，andachievesthemulti—dy—namicsimulationofthecouplingsystemcomposedofcablesandrigidbodies．Keywords：spacecraft；cable—strutdeployablearticulatedmast；cableunitwith1argedeformation；rigid-fIexcoupIing；numericaisimuIation1引言大型索杆式伸展臂具有伸展长度长、定位精度高、稳定性好、比刚度和比强度高等特点。它能很好地满足大型合成孔径雷达、太空望远镜等高精度探测设备的定位和

6、支撑。近年来，基于非线性弹性理论的绝对节点坐标方法，已成为处理刚柔耦合问题非常有效的方法，可用于该类索杆式伸展臂展收过程的仿真分析。图1为美国AEC-Able工程公司研制的大型窄问索杆式伸展臂系统(AECDeployableArticuIatedMastSystem，ADAM)。收稿日期：2011一01—26；修回日期：20ll—04—08作者简介：马凯(1983一)，男，硕士，从事航天器结构力学分析工作。精。Mqa等；刚{Ⅷ☆#女r索扦止仲Ⅸ臂$蚌#^}日E㈣l、InM《MF。目1AECdepl。y曲l⋯。川latd⋯‘system2大变形索梁单元时于大变肜索梁单元．国内外文献都

7、有详细介绍．具体参见史献[I_3]。在绝对廿点坐标采下吐正索性怍模型，町以使所求解动力学方程的弹性山、莆力和外力等更为简单，避免引人高度的非线性；l目时．其建横单兀所作的人为假定少．【J算精度高．与传统的浮动坐标法、有限增量法州比．具有速度和精度上的优井。在绝对节点牛标方法巾，太变形索桨甘先被离散成一定数量的单元。单元劬山学打程组集可以形成大变形索架的动力学^崔。埘此．建立系统功山学方程的戈矬，在下推导竹个索粱单兀的功山学方程。本节将给冉推导人变形索梁单元动力学方程的