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空间可展开桁架结构动力学分析及振动主动抑制研究

作　者: 赵浩江
导　师: 刘荣强
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 航空宇航制造工程
关键词: 空间桁架振动主动控制动力学作动器优化
分类号: TB533
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

由于空间可折展桁架结构具有折叠比大、质量轻和高刚度等优点,近年来在航天领域得到广泛应用。空间桁架结构工作在零重力环境下,一旦受到来自航天器、端部载荷、陨石撞击或高低温交变载荷的激励,很容易激起低频、大幅度振动。由于桁架自身在零重力环境下阻尼很小,这种振动很难衰减,将对航天任务造成重大影响。传统的被动振动控制对高频振动效果较好,且需要通过以增加附加质量为代价实现,在航天领域应用具有一定的局限性。因此,开展空间桁架结构的振动主动控制研究势在必行。本文以空间桁架式可展开支撑臂为研究对象,从主动控制构件设计、桁架动力学建模与分析、振动主动控制策略和动力学及振动主动控制实验四个方面开展桁架式支撑臂的动力学和振动主动控制研究。对压电陶瓷作动器的工作原理进行分析,并通过实验研究了叠堆式压电陶瓷作动器的动静态位移输出特性,设计出了能够替代空间桁架结构中支撑杆的主动控制构件。为解决压电陶瓷输出位移小的缺点,提出了一种新型的形状记忆合金作动器,并设计了其加热冷却系统,对所提出的新型形状记忆合金作动器进行了特性分析和原理实验。振动主动控制与被控对象的动力学特性往往息息相关,密不可分。因此,研究振动主动控制一般先从动力学研究着手。分别编写了采用三维杆单元和刚架单元对桁架动力学建模的程序,建立了桁架的动力学模型。分析计算了桁架的主要固有频率和模态振型,为探究影响桁架振动特性的因素以及为后续的振动主动控制仿真做准备,并分析了各模态对应的杆件应变能分布情况,用以确定振动主动控制中主动控制构件的布置位置。研究了桁架振动主动控制方法,采用模态空间下的二次型最优控制方法对桁架振动主动控制进行仿真,分析了控制前后振动幅度衰减情况。研究了主动控制杆位置和数量对控制结果的影响情况;结合模态置信度矩阵和多岛遗传算法,对实际控制中传感器位置和数量进行了优化配置。利用锤击法进行空间可展开桁架式支撑臂的模态试验,利用模态分析软件得到固有频率和振型,将实验测试结果与理论建模结果进行对比。将主动控制杆件替换桁架支撑杆后,利用比例反馈控制对桁架进行了振动主动控制实验。

空间可展开桁架结构动力学分析及振动主动抑制研究

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