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新型类锥杆式对接机构的碰撞过程分析

作　者: 李强
导　师: 黄奕勇
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 航空宇航科学与技术
关键词: 自主在轨服务航天器类锥杆式对接机构接触碰撞仿真分析
分类号: V526
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 101次
引　用: 2次
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内容摘要

随着21世纪人类在空间领域的不断突破,日益增长的无人自主在轨服务需求和激烈的国际竞争对空间对接机构的自主性、多样性、稳健性、可靠性及其总体性能提出了越来越高的要求。从美国、俄罗斯、日本等航天大国的已有经验来看,要保证航天器空间对接的高成功率、高可靠性,不但要重视对接机构的设计、研制和试验,还必须十分重视对接机构的仿真研究。本文从提高对接机构的设计水平,改进对接机构的工作性能出发,结合课题组目前正在开展的航天器在轨服务技术研究,对一种新型类锥杆式对接机构的碰撞过程进行了建模与仿真分析。首先,对空间对接技术新的应用需求、发展特点以及空间对接机构的发展概况等进行了总结,分析了类锥杆式对接机构的优点,并对空间对接过程的建模与仿真技术进行了研究。其次,针对本文所研究的新型类锥杆式对接机构的结构特点,定义了系统的坐标系,并对系统碰撞过程中各部分之间的运动学关系进行了研究。另外还研究了对接系统的欧拉动力学方程,接触碰撞问题求解模型,碰撞力系数与材料的杨氏模量、泊松比以及侵入量之间的数学关系式等。在此基础上,进一步对碰撞过程的动力学模型进行了综合研究,推导了各种惯性力以及广义力的虚功率形式,并得到了碰撞过程的动力学模型。然后,采用几何法对类锥杆式对接机构的碰撞点计算模型进行了研究。根据笛卡儿空间坐标系的“点”投影不变性原理和类锥杆式对接机构的结构特点,论文提出将碰撞点的计算分为对接杆中心轴与对接锥中心轴共面和异面两种情况来分别进行研究,并相应得到了这两种情况下的碰撞点计算模型。最后,研究了对接机构在空间对接过程中不同对接初始条件下的动力学特性,并针对影响对接机构碰撞过程的诸多因素进行了大量的仿真分析,得到了许多有价值的结论。在上述仿真分析的基础上,还对对接锥型面改进设计方法进行了研究,并得到了满足改进设计要求的新型对接锥型面。论文对类锥杆式对接机构的接触碰撞过程建模理论进行了系统研究,并将其应用于所研究对象的工作特性仿真分析中,为进一步提高结构的总体设计水平奠定了良好的基础。

全文目录

摘要  10-11
ABSTRACT  11-13
第一章绪论  13-27
  1.1 论文研究的背景与意义  13-16
  1.2 空间对接机构  16-22
    1.2.1 空间对接机构概述  16-17
    1.2.2 传统航天器对接机构  17-18
    1.2.3 新型航天器对接机构  18-22
  1.3 空间对接机构碰撞过程仿真技术  22-25
    1.3.1 国内外研究概况  22-23
    1.3.2 碰撞过程仿真方法研究  23-25
  1.4 本文的主要研究内容  25-27
第二章新型类锥杆式对接机构及运动学建模  27-35
  2.1 引言  27-28
  2.2 新型类锥杆式对接机构及工作过程  28-29
  2.3 坐标系定义  29-32
    2.3.1 建模假设条件  29-30
    2.3.2 坐标系定义  30-32
  2.4 运动学建模  32-34
    2.4.1 惯性坐标系下相对运动  32
    2.4.2 非惯性坐标系下相对运动  32-33
    2.4.3 惯性坐标下的相对转动  33
    2.4.4 非惯性坐标系下的相对转动  33-34
  2.5 本章小结  34-35
第三章碰撞过程的动力学建模研究  35-49
  3.1 引言  35
  3.2 姿态动力学  35-37
  3.3 碰撞力计算方法  37-41
    3.3.1 恢复系数方法  37-38
    3.3.2 约束变形方法  38-40
    3.3.3 等效弹簧阻尼方法  40-41
    3.3.4 对比分析  41
  3.4 碰撞过程动力学建模  41-48
    3.4.1 虚功率原理及其基本概念  41-43
    3.4.2 惯性力虚功率  43-44
    3.4.3 碰撞力及摩擦力虚功率  44-45
    3.4.4 主动力及缓冲阻尼力虚功率  45-47
    3.4.5 碰撞过程的动力学模型  47-48
  3.5 本章小结  48-49
第四章碰撞点计算方法研究  49-58
  4.1 引言  49
  4.2 轴线共面条件下的碰撞点计算方法  49-53
    4.2.1 检测方法  49-50
    4.2.2 计算碰撞点的数学模型  50-53
  4.3 轴线异面条件下的碰撞点计算方法  53-57
    4.3.1 检测方法  53-54
    4.3.2 合理性分析  54
    4.3.3 计算碰撞点的数学模型  54-57
  4.4 本章小结  57-58
第五章碰撞过程动力学仿真及影响因素分析  58-86
  5.1 引言  58
  5.2 仿真算法及流程  58-60
    5.2.1 仿真算法  58-59
    5.2.2 仿真计算流程图  59
    5.2.3 程序组织框架  59-60
  5.3 仿真参数设计  60-61
    5.3.1 模型参数设计  60-61
    5.3.2 力学参数设计  61
  5.4 带初始位置及速度偏差情况下的动力学仿真  61-69
    5.4.1 横向位置影响情况仿真  61-64
    5.4.2 相对速度影响情况仿真  64-67
    5.4.3 综合仿真分析  67-69
  5.5 带初始姿态偏差情况下的动力学仿真  69-76
    5.5.1 姿态角影响情况仿真  69-72
    5.5.2 姿态角速度影响情况仿真  72-74
    5.5.3 综合仿真分析  74-76
  5.6 影响因素分析  76-85
    5.6.1 缓冲系数的影响情况分析  76-81
    5.6.2 摩擦因素的影响情况分析  81-83
    5.6.3 对接锥锥角的影响情况分析  83-85
  5.7 本章小结  85-86
第六章对接锥型面改进设计研究  86-96
  6.1 引言  86
  6.2 设计目标  86-87
  6.3 型面角度设计方法  87-93
    6.3.1 锥角对碰撞反弹的影响  87-90
    6.3.2 锥角计算方法  90-93
  6.4 改进设计结果  93-95
  6.5 本章小结  95-96
结束语  96-99
致谢  99-100
参考文献  100-104
作者在学期间取得的学术成果  104

新型类锥杆式对接机构的碰撞过程分析

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