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空间站双挠性臂转位动力学建模及仿真研究

作　者: 尹涛
导　师: 杜建军
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械工程
关键词: 空间机械臂动力学有限元法约束模态非约束模态
分类号: TP241
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 33次
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内容摘要

随着航天科技的发展，人类对太空探索的步伐向前不断推进，太空科技将影响人类的发展。根据中国载人航天三步走战略计划，中国将于2020年建立自己的空间站。在空间站的组建过程以及后期维护过程都需要机械臂的参与，组建过程时需由机械臂抓取轴向对接口的舱体转移到其它对接口，为下次交会对接做准备；在空间站维护时，需要机械臂配合宇航员出舱，或由机械臂搭载灵巧手直接进行维修。为了实现上述功能，机械臂的长度一般在十米左右，但由于发射成本太高的原因，机械臂质量受限，所以空间站机械臂应该视作挠性体处理。针对在轨空间机械臂这样的时变动力学系统，由于其具有漂浮基、变质心、大负载和刚柔耦合等特性，对进行动力学分析造成很大困难。本文利用有限元法离散挠性机械臂，在考虑轨道速度和加速度以及系统偏心的基础上，建立了N阶挠性空间机械臂的动力学通式。在求得N阶挠性空间机械臂动力学模型的基础上，对空间站转位过程进行了动力学建模；并根据空间站的空间结构，对转位过程进行了规划。针对具体的空间站动力学模型，讨论了质量阵的对称性问题，得出转动方程的质量阵对称与否和选取的广义位移有关的结论。由于采用有限元法离散挠性体，所以系统的维数较高，为了求解方程的数值解，本文利用约束模态和非约束模态两种方法展开方程并降维。由于本文中求解的是时变动力学系统，所以需反复求解系统的振动频率和阵型。为了得到精确的解同时实现快速运算，本文利用动力学分段方法，根据关节角度的大小对仿真过程进行分段处理，在保证计算精度同时较大的提高了程序运行速度。通过对比挠性系统与刚性系统在相同仿真条件下的结果，得出两种情况的运动趋势是一致的，从侧面证明了动力学的可靠性；通过对比采用分段方法处理的非约束模态程序与未分段处理的约束模态程序的结果，得出采用合理分段角度（如0.1°）时对仿真结果的影响很小，证明了分段处理的可行性；通过对比不同降维阶次的仿真结果，得出采用前6阶模态时就可得到较好的精度。最后文中给出了具体的转位过程仿真结果，得到了转位过程中各个体的角速度、弹性体的振动量、系统偏心和欧拉角的变化。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第1章绪论  10-17
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  10
  1.2 国内外空间站发展概况  10-13
    1.2.1 国外空间站的发展  10-13
    1.2.2 中国的空间站计划  13
  1.3 空间站交会对接与转位技术  13
  1.4 空间机械臂的发展  13-14
  1.5 多体系统动力学发展  14-15
    1.5.1 多体系统动力学建模方法  14
    1.5.2 挠性体离散化方法  14-15
    1.5.3 空间机械臂动力学发展  15
  1.6 本文的主要研究内容  15-17
第2章挠性空间机械臂动力学  17-30
  2.1 引言  17
  2.2 N 阶挠性空间机械臂系统描述  17-19
    2.2.1 坐标系建立  18
    2.2.2 系统中常用的几个定义  18-19
  2.3 N 阶挠性空间机械臂的运动学  19-21
  2.4 N 阶挠性空间机械臂的动力学  21-29
    2.4.1 挠性体的有限元描述  21-22
    2.4.2 各体微元质点的加速度  22-24
    2.4.3 偏心量  24-26
    2.4.4 转动方程  26
    2.4.5 振动方程  26-29
  2.5 本章小结  29-30
第3章空间站转位动力学模型  30-42
  3.1 引言  30
  3.2 空间站的组成及模型简化  30
  3.3 转位过程描述  30-31
  3.4 空间站动力学  31-41
    3.4.1 各体微元质点的加速度  32-34
    3.4.2 D 体相对 d 点的旋转运动  34-35
    3.4.3 C+D 体对 c 点的转动方程式  35-36
    3.4.4 B+C+D 体绕 b 点的转动方程式  36-37
    3.4.5 A+B+C+D 体相对 b 点的转动方程式  37
    3.4.6 振动方程  37-39
    3.4.7 公式汇总  39-40
    3.4.8 弹性变形角速度分离  40-41
    3.4.9 关节锁死时公式的降维  41
  3.5 本章小结  41-42
第4章约束模态和非约束模态解法  42-49
  4.1 引言  42
  4.2 质量阵对称性问题  42-43
  4.3 非约束模态  43-46
    4.3.1 非约束模态  43-45
    4.3.2 用非约束模态简化求解基本方程式  45-46
  4.4 约束模态  46-48
    4.4.1 约束模态  46-47
    4.4.2 用约束模态展开基本方程式  47-48
  4.5 本章小结  48-49
第5章程序及仿真结果分析  49-64
  5.1 引言  49
  5.2 程序框图  49-50
  5.3 仿真结果对比分析  50-59
    5.3.1 仿真参数  50-51
    5.3.2 动力学分段  51-52
    5.3.3 程序仿真结果对比  52-59
  5.4 仿真空间站的转位过程并分析结果  59-63
  5.5 本章小结  63-64
结论  64-65
参考文献  65-70
致谢  70-71
附录  71

空间站双挠性臂转位动力学建模及仿真研究

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