[發明專利]大型空間可展開桁架結構關節鉸鏈連接剛度在軌辨識方法

有效

• 申請號: 202110285404.X
• 申請日: 2021-03-17
• 公開（公告）號: CN113074890B
• 公開（公告）日: 2021-11-23
• 發明（設計）人: 朱浩;樊偉;季袁冬;姜秀強
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: G01M7/02
• 分類號: G01M7/02;G01N3/303;G01N3/04
• 代理公司: 重慶天成卓越專利代理事務所(普通合伙) 50240
• 代理人: 譚小容

本發明公開了一種大型空間可展開桁架結構關節鉸鏈連接剛度在軌辨識方法，步驟一：建立關節鉸鏈接頭連接非線性剛度模型；步驟二：建立大型空間可展開桁架結構展開鎖緊后的有限元模型；步驟三：設計正交實驗表；步驟四：基于虛擬仿真獲取機器學習樣本；步驟五：通過模型訓練與測試獲取最優機器學習模型；步驟六，大型空間可展開桁架結構在軌瞬態響應測量；步驟七：基于在軌振動測試數據的大型空間可展開桁架結構關節鉸鏈連接剛度在軌辨識。通過虛擬仿真及在軌振動測試和機器學習相結合的方法，能夠準確辨識大型環形桁架天線、太陽翼桁架結構等大型空間桁架結構的各關節鉸鏈連接剛度，特別適用于含有眾多間隙的大型桁架的在軌動力學特性預測，為衛星系統在軌動力學模型修正與姿態控制提供了有力支撐。

技術領域

本發明屬于衛星等航天器在軌結構參數辨識領域，具體涉及一種大型空間可展開桁架結構關節鉸鏈連接剛度在軌辨識方法。

背景技術

隨著航天器結構的大型化和柔性化，大型空間可展開桁架結構得到越來越廣泛的應用。桁架結構可以作為航天器的主體結構如太空機械臂，也可以作為有效載荷如大型展開天線、太陽帆板和太空望遠鏡等的支撐結構。以空間超大型可展開天線為例，由于其具有可折疊、收納率高、質徑比小等優點，在衛星通信、天基電子偵察、深空探測等方面均能發揮重要作用。這類天線在發射時處于收攏狀態，發射入軌后按指令展開，展開到位后鎖定并保持工作狀態。

由于機構運動副和其它設計需求，大型空間可展開桁架結構構件是通過三維鉸鏈連接的，在展開鎖定之后仍含有眾多無法完全消除的微小間隙。這些間隙雖然非常小，但由于運動副數量眾多，大量鉸接間隙會導致結構整體剛度下降并影響其動力學特性(如固有頻率等)，同時使得展開桁架結構在展開過程中容易引發結構振動和變形，不利于天線型面狀態保持和衛星姿態控制，鎖定后在時變熱載荷等作用下容易引發振動，一旦受到各種外部和內部的干擾很容易激起低頻、大幅度、長時間的振動，又由于其自身的低阻尼特性，振動很難自行衰減。這些都將直接影響航天器姿態運動以及有效載荷的指向穩定度，而且這些因素往往難以完全有效控制。由于鉸鏈間隙是不可避免的，對機構動力學特性影響較大，因此，需要對含眾多間隙的大型空間可展開桁架結構進行在軌動力學參數(如鉸鏈連接剛度等)進行動力學辨識。由于運動副間隙導致的結構非線性振動屬于非光滑系統動力學問題，具有時變鉸鏈連接剛度的大型空間可展開桁架結構屬于多模系統，且隨著系統自由度增加，這種非光滑動力學現象變得更為復雜，這些都為大型空間可展開桁架結構的動力學特性預測帶了極大困難，也對衛星系統姿態控制帶來了諸多不確定性和挑戰。對于自由度達到數萬量級的空間桁架結構，其關節鉸鏈連接剛度精確辨識也變得越來越重要。

發明內容

針對上述問題，本發明旨在提供一種可展開桁架結構的關節鉸鏈的連接剛度在軌辨識方法，專用于含有眾多間隙的大型桁架的在軌動力學特性預測。

為此，本發明所采用的技術方案為：一種大型空間可展開桁架結構關節鉸鏈連接剛度在軌辨識方法，包括以下步驟：

步驟一：建立關節鉸鏈接頭連接非線性剛度模型；

首先，建立大型空間可展開桁架結構中所有類型關節鉸鏈接頭的三維幾何模型，所述關節鉸鏈接頭帶有鉸鏈間隙，然后對該三維幾何模型進行包括網格離散、材料參數定義、接觸定義在內的前處理工作，進而建立關節鉸鏈接觸碰撞有限元模型；

然后，對關節鉸鏈的一端固定，另外一端施加沿x軸正、反方向線性增大的載荷，獲得該關節鉸鏈接頭在x軸上的非線性力—位移曲線，進而獲得該關節鉸鏈接頭在x向的非線性剛度曲線；然后在y向和z向重復以上操作，獲得該關節鉸鏈接頭在y和z向的非線性剛度曲線，進而建立關節鉸鏈接頭的非線性剛度模型；

步驟二：建立大型空間可展開桁架結構展開鎖緊后的有限元模型；

基于參數化建模思想，建立大型空間可展開桁架結構展開鎖緊后的有限元模型，模型中各桁架采用薄壁梁單元模擬，拉索采用含初始張力的索單元模擬，各鉸鏈接頭連接剛度采用非線性彈簧模擬，其中非線性彈簧模擬即非線性剛度模型，并對各關節鉸鏈接頭進行編號；