空間站雙撓性臂轉(zhuǎn)位動(dòng)力學(xué)建模及仿真研究.pdf

1、隨著航天科技的發(fā)展,人類對(duì)太空探索的步伐向前不斷推進(jìn),太空科技將影響人類的發(fā)展。根據(jù)中國(guó)載人航天三步走戰(zhàn)略計(jì)劃,中國(guó)將于2020年建立自己的空間站。
　　在空間站的組建過(guò)程以及后期維護(hù)過(guò)程都需要機(jī)械臂的參與,組建過(guò)程時(shí)需由機(jī)械臂抓取軸向?qū)涌诘呐擉w轉(zhuǎn)移到其它對(duì)接口,為下次交會(huì)對(duì)接做準(zhǔn)備;在空間站維護(hù)時(shí),需要機(jī)械臂配合宇航員出艙,或由機(jī)械臂搭載靈巧手直接進(jìn)行維修。為了實(shí)現(xiàn)上述功能,機(jī)械臂的長(zhǎng)度一般在十米左右,但由于發(fā)射成本太高的原因

2、,機(jī)械臂質(zhì)量受限,所以空間站機(jī)械臂應(yīng)該視作撓性體處理。
　　針對(duì)在軌空間機(jī)械臂這樣的時(shí)變動(dòng)力學(xué)系統(tǒng),由于其具有漂浮基、變質(zhì)心、大負(fù)載和剛?cè)狁詈系忍匦?對(duì)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析造成很大困難。本文利用有限元法離散撓性機(jī)械臂,在考慮軌道速度和加速度以及系統(tǒng)偏心的基礎(chǔ)上，建立了N階撓性空間機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)通式。
　　在求得 N階撓性空間機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，對(duì)空間站轉(zhuǎn)位過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)建模;并根據(jù)空間站的空間結(jié)構(gòu),對(duì)轉(zhuǎn)位過(guò)程進(jìn)行了規(guī)劃。針

3、對(duì)具體的空間站動(dòng)力學(xué)模型,討論了質(zhì)量陣的對(duì)稱性問(wèn)題,得出轉(zhuǎn)動(dòng)方程的質(zhì)量陣對(duì)稱與否和選取的廣義位移有關(guān)的結(jié)論。
　　由于采用有限元法離散撓性體,所以系統(tǒng)的維數(shù)較高,為了求解方程的數(shù)值解,本文利用約束模態(tài)和非約束模態(tài)兩種方法展開(kāi)方程并降維。由于本文中求解的是時(shí)變動(dòng)力學(xué)系統(tǒng),所以需反復(fù)求解系統(tǒng)的振動(dòng)頻率和陣型。為了得到精確的解同時(shí)實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)算,本文利用動(dòng)力學(xué)分段方法,根據(jù)關(guān)節(jié)角度的大小對(duì)仿真過(guò)程進(jìn)行分段處理,在保證計(jì)算精度同時(shí)較大的提高

4、了程序運(yùn)行速度。
　　通過(guò)對(duì)比撓性系統(tǒng)與剛性系統(tǒng)在相同仿真條件下的結(jié)果,得出兩種情況的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)是一致的,從側(cè)面證明了動(dòng)力學(xué)的可靠性;通過(guò)對(duì)比采用分段方法處理的非約束模態(tài)程序與未分段處理的約束模態(tài)程序的結(jié)果,得出采用合理分段角度(如0.1°)時(shí)對(duì)仿真結(jié)果的影響很小,證明了分段處理的可行性;通過(guò)對(duì)比不同降維階次的仿真結(jié)果,得出采用前6階模態(tài)時(shí)就可得到較好的精度。最后文中給出了具體的轉(zhuǎn)位過(guò)程仿真結(jié)果,得到了轉(zhuǎn)位過(guò)程中各個(gè)體的角速度、彈性