[發明專利]一種桁架天線的動力學等效連續體建模方法

有效

• 申請號: 201911253322.6
• 申請日: 2019-12-09
• 公開（公告）號: CN111177859B
• 公開（公告）日: 2023-09-12
• 發明（設計）人: 劉付成;孫杰;孫俊;朱東方;黃靜
• 申請（專利權）人: 上海航天控制技術研究所
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G16C10/00;G16C60/00;G06F111/10;G06F119/14
• 代理公司: 上海元好知識產權代理有限公司 31323
• 代理人: 張妍;周乃鑫

本發明公開了一種桁架天線的動力學等效連續體建模方法，包括以下步驟：從周期性桁架天線中提取一個天線子單元進行分析；將天線子單元中縱梁的形狀記憶復合材料等效為各向同性材料，并考慮鉸鏈的連接特性，計算天線子單元的應變能及動能；基于能量等效原理，建立桁架天線的動力學等效連續體模型；桁架天線動力學等效連續體模型的有效性驗證，并修正縱梁形狀記憶復合材料的等效材料參數。本發明考慮縱梁形狀記憶復合材料的材料特性及鉸鏈的連接特性，使所建的桁架天線等效連續體模型更精確，并提供了一種工程實用的修正形狀記憶復合材料等效材料參數的方法，同時，本發明公開的建模方法流程清晰，算法實現便捷，適合工程上的應用和推廣。

技術領域

本發明涉及柔性航天器動力學建模研究領域，具體涉及一種大尺度復雜高維可展開桁架天線結構的動力學等效建模。

背景技術

傳統的航天器中心剛體的質量和轉動慣量在整個系統中所占的比例具有絕對優勢，是典型的中心剛體占優的剛柔耦合系統。隨著航天技術的發展，以大型化、輕質化和柔性化為典型特征的大型柔性航天器成為新一代航天器發展的一個重要趨勢。例如美國ISAT號(OCS)衛星上安裝了超長的桁架式天線，其長度將近達到300m。

大尺度空間可展桁架天線結構是典型的具有若干相同子單元的循環周期結構，通常采用有限元軟件對其進行計算分析。但由于天線結構構造復雜、自由度數多，使得有限元建模難度大、計算耗時長，甚至無法實現。對于控制律設計來說，要實現實時控制，也需要對天線結構進行降階。鑒于傳統結構動力學建模方法存在模型復雜、階次高、不利于控制的問題，因此必須對大型可展開空間柔性結構的動力學模型進行簡化。對于由周期桁架單元構成的大尺度空間可展桁架結構，等效連續體建模方法是一種模型降階的行之有效方法。它不會因單元數量的擴充而使計算量大幅增加，從而成為大尺度可展桁架天線結構動力學建模與控制系統設計的焦點。如果能利用這種內部結構呈現周期性排列的特征建立簡化的等效動力學模型，則不僅可以降低動力學分析計算量，而且可以為動力學控制提供低維的模型。

目前針對大型柔性復雜航天器結構的動力學建模，建立一種低維的等效模型不僅對于動力學分析還是對于控制律設計，都具有重要的意義。等效連續體建模是實現建立大尺度柔性航天器動力學低維模型的一種有效方法。目前關于大型柔性航天器的等效連續體建模研究，大都集中在具有較理想幾何構型的柔性結構上，而對于較復雜的柔性桁架天線組合結構實現起來具有困難；目前的等效建模方法均是針對具有單一均質材料的航天器結構，而對于含形狀記憶復合材料的非均質材料結構并未涉及，復雜新型智能材料如形狀記憶復合材料的應用給等效連續體建模帶來了難度；當前的等效建模只考慮理想連接的情況，而航天器桁架和面陣之間通過鉸鏈連接，且航天器整體連接鉸鏈眾多，鉸鏈的連接剛度會對桁架天線結構的動力學特性造成較大的影響。有鑒于此，目前的等效連續體建模技術并不能很好地解決大型柔性航天器存在的這些問題。

發明內容

本發明提出一種桁架天線的動力學等效連續體建模方法，針對大尺度復雜柔性可展桁架天線結構，實現高維復雜動力學模型的降維，同時能夠反映新型智能材料-形狀記憶復合材料的粘彈性材料特性，并考慮連接鉸鏈的剛度對整體結構動力學特性造成的影響，為大尺度柔性航天器高精度高穩定性指向控制的發展奠定技術基礎。

為了達到上述目的，本發明提出了一種桁架天線的動力學等效連續體建模方法,包括以下步驟：

S1、從周期性桁架天線中提取一個天線子單元，計算天線子單元任意點處的位移、轉角及應變；

S2、將天線子單元中的形狀記憶復合材料縱梁等效為各向同性材料縱梁，并根據等效材料參數以及天線子單元內任意點處的位移、轉角和應變計算各向同性材料縱梁和橫梁的應變能；

S3、表征天線子單元的支撐桁架與面陣之間的連接鉸鏈的剛度，計算連接鉸鏈的應變能，進而根據線子單元中橫梁和各向同性材料縱梁的應變能求得桁架天線子單元的總應變能，并計算天線子單元的總動能；