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作者

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6 篇 姚红良
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5 篇 李以农
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含有区间参数的柔性机械臂动力学仿真与灵敏度分析

含有区间参数的柔性机械臂动力学仿真与灵敏度分析

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第二届可展开空间结构学术会议

作者：王喆田强胡海岩北京理工大学

本文通过结合Chebyshev配点法,对带有区间不确定参数的、经历大位移与大变形的柔性机械臂系统进行了动力学仿真与灵敏度分析。Chebyshev配点法可以较好的处理含有较多区间参数的多柔体系统,并最终得到Chebyshev代理模型,区别于传统直接... 详细信息

本文通过结合Chebyshev配点法,对带有区间不确定参数的、经历大位移与大变形的柔性机械臂系统进行了动力学仿真与灵敏度分析。Chebyshev配点法可以较好的处理含有较多区间参数的多柔体系统,并最终得到Chebyshev代理模型,区别于传统直接利用区间运算对代理模型的区间边界进行估计,本文综合考虑计算效率与计算精度,采用扫描方法对代理模型的区间边界进行估计,得到满足精度要求的区间结果。与此同时,考虑柔性体的大位移与大变形,本文采用绝对节点坐标方法(ANCF)对多柔体系统进行建模。除此之外,多柔体系统动力学的灵敏度分析采用直接微分法和伴随变量法等两种方法,基于连续介质力学推导了弹性力、质量矩阵等关于设计变量的导数,提高了灵敏度分析的计算效率。为了进一步提高计算效率将Chebyshev配点法并行化,并结合广义alpha算法进行系统微分代数方程组的求解,从而对含有区间不确定参数刚柔耦合多体系统进行求解。最终本文给出了通用公式以及具体的计算过程,并且星载六关节刚-柔耦合机械臂展开模型被用于验证该方法的有效性,对上述模型的长度考虑为区间参数,并对含上述的不确定性的多柔体系统进行研究,从而验证本文算法的有效性。

关键词：区间参数 Chebyshev配点法绝对节点坐标方法灵敏度分析

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柔性空间机械臂捕获目标后基于扩张状态观测器的运动、振动混合轨迹控制方案

柔性空间机械臂捕获目标后基于扩张状态观测器的运动、振动混合轨...

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第二届可展开空间结构学术会议

作者：程靖陈力福州大学

随着航天科技的发展,空间机器人系统能够替代人类完成重复性高的太空任务,在探索太空的过程中起着不可或缺的作用[1-3]。空间机器人技术作为太空探索的关键性部分,其理论及研究仍在不断发展中,由于发射技术和发射费用上的原因,在实际应... 详细信息

随着航天科技的发展,空间机器人系统能够替代人类完成重复性高的太空任务,在探索太空的过程中起着不可或缺的作用[1-3]。空间机器人技术作为太空探索的关键性部分,其理论及研究仍在不断发展中,由于发射技术和发射费用上的原因,在实际应用当中,空间机器人的机械臂往往质量较轻、惯量较小,因此空间机器人的机械臂具有柔性,这使得机械臂在捕获操作过程中容易产生高频振动。在太空无重力环境下,空间机器人系统表现出非完整动力学约束,各部分在运动过程中还存在强烈的耦合作用,捕获操作过程存在动量、动量矩与能量传递变化,这些情况增加了系统控制设计的难度。针对柔性杆组成的空间机器人系统捕获操作后的关节空间运动控制及柔性振动抑制问题,首先结合多刚体动力学理论及假设模态法,建立了空间机器人的系统及目标的动力学模型。利用运动几何关系及动量定理,可最终获得混合体系统的动力学方程。之后,对于完成捕获操作后的混合体系统,利用虚拟力概念生成表征的柔性运动及刚性运动的混合轨迹,设计了基于扩张状态观测器(ESO)的载体姿态、关节运动及柔性振动抑制的一体化控制方案,利用扩张状态观测器对模型不确定部分进行动态估计和补偿,并利用状态反馈控制保证了系统的控制性能。传统的奇异摄动法将组合体系统的动力学模型分解为慢变和快变两子系统,分别设计刚性运动镇定控制算法和弹性振动抑制控制算法形成复合控制方案[4-5],两种控制算法之间存在一定的相互干扰影响。所提控制方案与传统基于奇异摂动法的控制方案相比,具有控制器结构简单,计算量小,有利于在线实施的优点。最后通过数值仿真实验模拟、分析了碰撞冲击响应,并验证了上述镇定运动控制方案的有效性。

关键词：全柔性空间机械臂捕获目标扩张状态观测器混合轨迹一体化控制

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大角度机动下带挠性附件航天器转动惯量在轨辨识方法

大角度机动下带挠性附件航天器转动惯量在轨辨识方法

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第二届可展开空间结构学术会议

作者：何骁谭述君大连理工大学

航天器的质量特性参数对状态估计、故障检测、以及高精度轨道和姿态控制都有着重要的影响。随着航天技术的发展,许多大型航天器需要在轨展开和改变形状,地面测量的质量特性参数很难真实地反映航天器在轨运行时的情况,因此需要在轨辨识... 详细信息

航天器的质量特性参数对状态估计、故障检测、以及高精度轨道和姿态控制都有着重要的影响。随着航天技术的发展,许多大型航天器需要在轨展开和改变形状,地面测量的质量特性参数很难真实地反映航天器在轨运行时的情况,因此需要在轨辨识。另外,航天材料向着轻质化、柔性化方向发展,航天器挠性附件振动对其质量特性参数辨识的影响不可忽略。由于航天器的任务越来越复杂,存在大角度机动的情况,动力学模型中就需要考虑非线性项的影响。因此,研究大角度机动下带挠性附件航天器转动惯量在轨辨识具有很重要的价值。以带挠性附件的卫星作为研究对象,利用卫星的控制力矩为输入信号,陀螺仪测量的姿态角度、角速度为输出信号,提出一种并发递推算法以实现带挠性附件卫星转动惯量的在轨辨识。该算法以带挠性附件卫星的刚柔耦合动力学模型为基础,将转动惯量的最小二乘描述形式和挠性附件振动模态的状态估计相结合,并发递推执行。与小角度机动的情况相比,大角度机动情况下卫星的姿态动力学方程中的非线性项不能忽略,所以挠性附件振动模态的状态估计采用广义卡尔曼滤波算法,同时为了提高算法的效率,提出了一步最小二乘、多步广义卡尔曼滤波相结合并发递推的算法。最后,对某型号带挠性附件卫星的转动惯量参数辨识进行了仿真,不同方法的辨识结果曲线如图1所示。仿真结果表明,在大角度机动情况下,传统方法忽略了非线性项的影响,不能得到收敛的辨识结果,而考虑非线性影响的方法辨识结果则很快收敛到真实值,相对误差都在5%以内。因此,该方法是处理大角度机动情况带挠性附件卫星的转动惯量参数辨识的有效方法。

关键词：柔性航天器转动惯量在轨参数辨识广义卡尔曼滤波刚柔耦合模型

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展开太阳帆索膜结构非线性应力及模态分析

展开太阳帆索膜结构非线性应力及模态分析

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第二届可展开空间结构学术会议

作者：胡驰徐超西北工业大学航天学院

太阳帆航天器,由于其在完成各种复杂的未来太空探索任务上具有传统航天器无法比拟的优势,而受到国内外广泛关注。日本的IKAROS和美国Nano Sail-D2的成功飞行,验证了太阳帆作为太空推进系统的可行性。在大量提出的太阳帆航天器的概念中,... 详细信息

太阳帆航天器,由于其在完成各种复杂的未来太空探索任务上具有传统航天器无法比拟的优势,而受到国内外广泛关注。日本的IKAROS和美国Nano Sail-D2的成功飞行,验证了太阳帆作为太空推进系统的可行性。在大量提出的太阳帆航天器的概念中,具有"系绳-自旋"结构的太阳帆航天器是最具吸引力的。该构型方案采用离心力和柔性绳索张紧帆膜,由于帆膜和柔性绳索力学行为的非线性,张紧状态太阳帆结构的应力和模态分析也极具挑战性。论文利用有限元数值模拟分析软件ABAQUS对具有超薄帆膜及张紧系绳的太阳帆结构进行非线性分析,主要研究系绳的张紧力以及系绳与太阳帆膜连接方式对结构的变形以及振动频率的影响。计算的太阳帆膜由四块三角形帆膜进行组成,采用四边形和三角形板单元进行建模,系绳采用杆单元模拟。考虑结构的初始几何缺陷的影响,采用非线性静力分析方法计算结构的离心力和光压作用下的应力-应变状态,确定了结构变形。初始几何缺陷由线性屈曲特征值分析确定的前三阶整体屈曲模态得到。同时分析了分析太阳帆膜在工作条件下的固有模态特性。对不同系绳连接方式、不同太阳帆姿态和不同离心力条件下的太阳帆结构进行了分析。结果表明:本文采用的多步非线性计算方法能够较好地确定太阳帆展开状态的应力和变形状态,给出整体模态的估计;系绳与帆膜的连接方式对结构有重要影响,选择合适的连接点及连接位置能够优化结构的受力状态。

关键词：太阳帆索膜结构非线性有限元皱曲模态分析

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环氧形状记忆聚合物(SMP)及其织物增强复合材料(SMPC)力学试验研究

环氧形状记忆聚合物(SMP)及其织物增强复合材料(SMPC)力学试验研究

引用

第二届可展开空间结构学术会议

作者：王丽君陈务军游晋康雄建上海交通大学空间结构研究中心

形状记忆聚合物复合材料(Shape Memory Polymer,SMP)是一种新型的智能材料,相比较于形状记忆合金和陶瓷,具有轻质,价廉和可回复变形率较大(最大形状回复应变率可达到100%以上)等特点,在航空航天、生物医学、智能仿生等领域具有广泛的应... 详细信息

形状记忆聚合物复合材料(Shape Memory Polymer,SMP)是一种新型的智能材料,相比较于形状记忆合金和陶瓷,具有轻质,价廉和可回复变形率较大(最大形状回复应变率可达到100%以上)等特点,在航空航天、生物医学、智能仿生等领域具有广泛的应用前景。尤其是为应用于航空、航天领域的主动变形结构提供了材料基础,有望推动航空航天飞行器上智能主动变形结构的迅速发展。目前的研究中,针对特定的航空、航天领域的应用来说,形状记忆聚合物及其复合材料发展的历史相对较短,材料的空间适应性还缺乏全面的研究;此外,一些基础力学问题,如材料的本构关系、强度分析等,研究者对它的理论认识还不够全面、也不深刻,而这些问题限制了形状记忆聚合物及其复合材料在航空、航天领域主动变形结构的深入发展和应用。本文利用动态力学分析仪对研制的环氧形状记忆聚合物及其三种斜纹织物增强复合材料(Shape Memory Polymer Composite,SMPC)的动态力学性能进行了测试和性能能表征分析;同时为了表征材料的静力学性能,进行了SMP常温的拉伸试验与SMPC常温下拉伸、循环拉伸、剪切与弯曲试验,揭示力学行为机理,为优化材料设计与工艺改进提供参考,以及深入的力学模型研究奠定基础。

关键词：形状记忆聚合物织物增强复合材料动态力学性能强度本构关系

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空间机器人双臂捕获航天器后冲击影响下辅助对接操作的鲁棒协调控制

空间机器人双臂捕获航天器后冲击影响下辅助对接操作的鲁棒协调控...

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第二届可展开空间结构学术会议

作者：程靖陈力福州大学

空间机器人在太空中的任务包括空间站组件更新,移除轨道失效航天器,为在轨服务航天器加注燃料等[1-3]。空间机器人应用于太空中,可以降低宇航员的工作强度,有着极其重要的作用,因此,相关的理论研究得到了学者们的广泛关注。随着人类在... 详细信息

空间机器人在太空中的任务包括空间站组件更新,移除轨道失效航天器,为在轨服务航天器加注燃料等[1-3]。空间机器人应用于太空中,可以降低宇航员的工作强度,有着极其重要的作用,因此,相关的理论研究得到了学者们的广泛关注。随着人类在太空中活动的增加,送入太空中的设备的体积及质量越来越大,这对空间机器人的性能提出了更高的要求。双臂空间机器人系统在加大负载能力、提高位置跟踪精度以及在运动过程中的稳定性等方面具有明显优势,因此,双臂乃至多臂空间机器人系统在太空实际应用中有更大的发挥空间[4-5]。但是由于双臂空间机器人捕获操作过程存在开、闭环变拓扑结构,动量及动量矩的转移,同时闭链系统控制输入存在冗余的情况,使得系统控制设计的难度增大。针对双臂空间机器人捕获目标形成的闭链混合体系统的对接操作协调控制问题。首先,利用多刚体动力学理论建立了双臂空间机器人系统及目标航天器系统的动力学方程。根据冲量定理,分析了空间机器人受到目标航天器冲击后的碰撞冲击效应;利用闭环约束几何关系推导了捕获后闭链混合体系统降维形式的动力学方程。其次,针对捕获操作后具有闭环约束的双臂空间机器人系统,在被捕获目标参数不确定的但误差范围可控的条件下,结合运动Jacobi关系设计了鲁棒控制方案以完成载体、载荷冲击影响下辅助对接操作。之后,利用李雅普诺夫理论证明了系统的稳定性。运用最小权值范数法分配力矩,保证了各臂杆的协同操作。最后通过数值仿真,验证了上述控制方案的有效性。

关键词：双臂空间机器人捕获目标对接操作鲁棒协调控制

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基于绝对节点坐标方法描述的薄膜空间结构接触与摩擦动力学算法研究

基于绝对节点坐标方法描述的薄膜空间结构接触与摩擦动力学算法研...

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第二届可展开空间结构学术会议

作者：孙德巍朱挺刘铖胡海岩北京理工大学

本文研究了薄膜结构展开运动过程中的接触与摩擦动力学算法问题。薄膜结构具有重量轻、折叠体积小等优点,是构建大型可展开空间结构的最佳选择。空间结构发射前处于折叠状态,入轨后展开过程中将经历大范围转动与大弹性变形的耦合运动,... 详细信息

本文研究了薄膜结构展开运动过程中的接触与摩擦动力学算法问题。薄膜结构具有重量轻、折叠体积小等优点,是构建大型可展开空间结构的最佳选择。空间结构发射前处于折叠状态,入轨后展开过程中将经历大范围转动与大弹性变形的耦合运动,并且薄膜间还会发生接触与摩擦现象。预测该类薄膜结构的动力学展开特性十分困难,因为其仿真建模其过程中中涉及到复杂的接触与摩擦问题,包括接触方法的选择、接触检测、摩擦状态判断、接触力计算以及守恒时间积分策略的选择等。利用非线性有限元的绝对节点坐标方法(Absolute Nodal Coordinate Formulation),对薄膜空间结构柔性多体系统进行建模,可以精确描述其大变形与大转动的耦合特性。接触检测(Contact Detection)包括全局检测和局部检测,在全局检测中,基于单元建立包围盒层次结构,通过层次包围盒算法排除不可能发生接触的单元,在局部检测中,通过牛顿迭代得到单元间精确的碰撞信息。基于大滑移条件下的库仑摩擦定律(Coulomb Friction),利用回映算法(Return Mapping Algorithms)判断当前时间步长下的摩擦状态,基于增广拉格朗日方法(Augmented Lagrangian Methods)确定法向与切向接触力,并推导其对广义坐标的偏导数矩阵(Jacobi矩阵)。利用中点近似法则对系统动力学方程进行时间离散,采用Uzawa方法(乘子法)对系统动力学方程进行迭代求解,建立系统能量守恒的数值积分算法。最后,给出了几个数值算例以验证本文方法的正确性和有效性,并分析了薄膜空间结构展开的动力学特性。

关键词：绝对节点坐标方法接触摩擦力学增广拉格朗日方法接触检测可展开薄膜结构

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主动控制格栅反射器的作动器优化配置

主动控制格栅反射器的作动器优化配置

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第二届可展开空间结构学术会议

作者：穆瑞楠谭述君吴志刚兰澜大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室大连理工大学航空航天学院上海跃盛信息技术有限公司

随着卫星通讯、地球观测、空间实验等在轨任务对星载天线型面精度要求的不断提高,对毫米波与亚毫米波高精度轻质反射器的需求越来越迫切。最近提出的一种主控格栅反射器,由超薄反射面、背部横向支撑板,以及在支撑板外侧开槽安装的压电陶... 详细信息

随着卫星通讯、地球观测、空间实验等在轨任务对星载天线型面精度要求的不断提高,对毫米波与亚毫米波高精度轻质反射器的需求越来越迫切。最近提出的一种主控格栅反射器,由超薄反射面、背部横向支撑板,以及在支撑板外侧开槽安装的压电陶瓷(PZT)作动器组成,为高精度型面的实现提供了解决方案。然而,在此主动控制方案中,每个背部支撑板均需PZT作动器,总体需要较多的作动器,不仅大幅增加了天线重量,同时也使得控制系统的复杂性。因此,有必要开展针对主控格栅反射器的作动器优化配置研究。以该主控格栅反射器为研究对象,基于系统能量准则以及逐步消去法开展了作动器优化配置研究。首先,在ANSYS软件中建立反射器-作动器的一体化有限元仿真模型;接着,基于影响系数法的思想,利用有限元仿真模型得到作动器-反射面的影响系数矩阵,建立型面控制的简化线性模型;然后,以型面精度为约束条件,建立基于系统能量准则的作动器优化配置优化模型;最后,利用结构对称性将作动器分组,提出基于逐步消去的作动器优化配置算法。针对1 m口径的格栅反射器结构(作动器数目为72个),在温度载荷和自重载荷两种初始干扰作用下开展作动器优化配置。仿真优化后的作动器配置方案如图2所示,相对于优化前作动器数目减少约41.7%,在温度载荷和自重载荷多种工况下,该配置方案均能保证满足反射面型面精度要求,仿真结果验证了所提出的作动器优化配置方法的有效性。

关键词：高精度反射器压电作动器 CFRP复合材料逐步消去法作动器优化配置

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大型索网天线反射器动力学建模与主动变形控制

大型索网天线反射器动力学建模与主动变形控制

引用

第二届可展开空间结构学术会议

作者：寻广彬彭海军吴志刚大连理工大学

星载天线作为航天器的必备载荷,为获取更大的天线增益和信号接收能力,正朝着大口径、高精度的方向发展。索网天线反射器以其折叠收纳比高、质量轻、口径大等优点,日益成为众多空间任务的首选天线反射器形式,但星载天线在轨运行期间不可... 详细信息

星载天线作为航天器的必备载荷,为获取更大的天线增益和信号接收能力,正朝着大口径、高精度的方向发展。索网天线反射器以其折叠收纳比高、质量轻、口径大等优点,日益成为众多空间任务的首选天线反射器形式,但星载天线在轨运行期间不可避免地会遇到复杂空间环境的影响,进而影响反射器型面精度,降低了天线的性能指标。为获得更高的反射器型面精度,在纵向调整索中加入压电陶瓷堆(PZT)作动器,并设计相关控制律,通过主动控制提高反射器的型面精度。针对大型索网天线反射器,用两节点轴力杆单元模拟张紧的索结构,并以是否含有作动器将其分为主动索单元和被动索单元。根据哈密顿原理和PZT作动器的压电本构方程、几何方程推导出主动索单元的动力学方程,并与被动索单元一起组装得到整体结构的机电耦合动力学方程。通过对索网反射器做动态特性分析发现,反射面的面外变形模态有密集分布特性,模态截断法不再适用于对其进行模型降阶,因此在物理空间里对反射器进行主动变形控制,并采用一种适用于大规模结构的新型快速模型预测控制方法。这种新型快速模型预测控制利用Newmark-β方法将二阶动力学方程表示为显示列式形式,然后与标准模型预测控制方法相结合。该方法在保证计算精度的同时降低了在线计算量,可以有效处理大规模结构的形状控制问题。以一个30m口径的索网天线反射器为算例,对所建立的动力学方程和变形控制方法进行了数值仿真。仿真结果表明,反射面各节点在较小的超调量下,经过短暂的振动便可达到稳定的变形位置,基于快速模型预测控制方法的主动变形控制明显提高了反射面的形面精度。

关键词：索网天线反射器动力学建模主动变形控制快速模型预测控制 PZT作动器

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基于非线性自适应滤波算法的齿轮传动系统振动主动控制

基于非线性自适应滤波算法的齿轮传动系统振动主动控制

引用

第六届全国振动利用工程学术会议

作者：李自强李以农钟银辉重庆大学机械传动国家重点实验室重庆400044 重庆大学汽车工程学院重庆400044 重庆大学机械传动国家重点实验室重庆400044

本文为了削减二级齿轮传动系统的非线性振动,提出了在靠近激励源处附加压电堆作动器同时抑制两对齿轮振动的双通道主动控制结构.鉴于FxLMS自适应滤波算法对非线性系统应用的局限性,采用了一种非线性自适应滤波算法双线性FxLM S(Bilin ea... 详细信息

本文为了削减二级齿轮传动系统的非线性振动,提出了在靠近激励源处附加压电堆作动器同时抑制两对齿轮振动的双通道主动控制结构.鉴于FxLMS自适应滤波算法对非线性系统应用的局限性,采用了一种非线性自适应滤波算法双线性FxLM S(Bilin ear FxLMS,BFxLM S).由于次级通道的准确性对于BFxLMS算法的控制性能有很大的影响,而应用较广的叠加噪声次级通道辨识技术会降低控制系统的效果,本文采用了一种直接估计误差技术对次级通道进行在线辨识.最后搭建了二级齿轮传动系统振动主动控制试验台,利用dSPACE作为控制器进行了半实物仿真试验,试验结果表明,在以两对齿轮啮合基频为衰减目标时,应用BFxLMS算法和FxLMS算法控制的齿轮箱体上的振动都有明显的减弱,而BFxLMS算法在齿轮传动系统主动控制应用中有更好的控制效果,在第一对齿轮啮合基频处可以达到11 dB的衰减量,在第二对齿轮啮合基频处可以达到10 dB的衰减量.

关键词：齿轮传动系统振动主动控制非线性自适应滤波算法

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