衛(wèi)星適配器結(jié)構(gòu)振動(dòng)主被動(dòng)控制方法研究.pdf

1、20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著航空航天、機(jī)械、建筑、船舶等眾多領(lǐng)域的飛速發(fā)展，結(jié)構(gòu)的大型化、柔性化趨勢(shì)日益顯著，由之而來(lái)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)破壞、失效以及干擾等問(wèn)題已經(jīng)成為工程設(shè)計(jì)過(guò)程中不可忽視的客觀因素之一。結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制研究是國(guó)內(nèi)外工程界和學(xué)術(shù)界所面臨的一項(xiàng)重要而又充滿挑戰(zhàn)的課題。
　　目前國(guó)內(nèi)外航天工程中的衛(wèi)星適配器多采用金屬錐殼結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)本身的阻尼特性較差，無(wú)法有效控制發(fā)射過(guò)程中的振動(dòng)載荷對(duì)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的影響。此外，截頂錐殼結(jié)構(gòu)也是其他工

2、程領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛的一種薄壁承載結(jié)構(gòu)，發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴、連接單元、各種適配器以及整流罩外殼等都可以看作錐殼結(jié)構(gòu)。對(duì)這一類結(jié)構(gòu)的振動(dòng)動(dòng)控制問(wèn)題進(jìn)行研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，因此，本文以某衛(wèi)星適配器錐殼模型為研究對(duì)象，以結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制為目標(biāo)進(jìn)行了理論推導(dǎo)、數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作。
　　首先，從控制器是否需要外界能量輸入角度，振動(dòng)控制可以分為主動(dòng)控制、被動(dòng)控制兩類。本文中的結(jié)構(gòu)振動(dòng)的被動(dòng)控制研究主要包括三個(gè)部分：1、通過(guò)兩自由度簡(jiǎn)化模型分析了各

3、個(gè)系統(tǒng)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)隔振效能的影響；2、采用復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)對(duì)衛(wèi)星適配器截頂錐殼模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，并用等效法進(jìn)行了建模計(jì)算；3、應(yīng)用模態(tài)應(yīng)變能法對(duì)附加約束阻尼層的鋁制適配器截頂錐殼模型進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。將后面兩部分計(jì)算所得到的動(dòng)力學(xué)特性與未改進(jìn)的鋁制衛(wèi)星適配器錐殼模型的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，可以證明文中衛(wèi)星適配器結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案的優(yōu)越性。
　　其次，本文中的振動(dòng)主動(dòng)控制研究主要圍繞壓電智能結(jié)構(gòu)的應(yīng)用展開。在系統(tǒng)建模方面，通過(guò)利用四節(jié)點(diǎn)M

4、indlin層合板單元進(jìn)行有限元建模過(guò)程的推導(dǎo)，對(duì)目前所普遍采用的壓電結(jié)構(gòu)的建模方法進(jìn)行了分析，并針對(duì)這一類方法難以對(duì)復(fù)雜壓電結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模的問(wèn)題，提出了一種基于通用有限元軟件的等效建模方法：即利用通用有限元軟件(Patran/Nastran)導(dǎo)出結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)方程；然后根據(jù)彈性力學(xué)和壓電方程，得到壓電結(jié)構(gòu)的作動(dòng)方程；最后將壓電元件的作動(dòng)力等效為載荷邊界條件加入動(dòng)力學(xué)方程中完成建模。該方法是一種基于通用有限元軟件的計(jì)算機(jī)輔助建模(Compu

5、ter Aided Modeling)方法，是進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析與主動(dòng)控制研究最為可靠和快捷的手段。仿真結(jié)果對(duì)比證明了等效法建模的正確性與有效性。
　　第三，基于結(jié)構(gòu)的有限元模型和動(dòng)力學(xué)方程，利用獨(dú)立模態(tài)空間控制對(duì)衛(wèi)星適配器模型結(jié)構(gòu)振動(dòng)的主動(dòng)控制進(jìn)行了仿真研究。該方法是目前結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制當(dāng)中應(yīng)用較為廣泛的一種方法，能夠使復(fù)雜結(jié)構(gòu)的控制器設(shè)計(jì)得到簡(jiǎn)化。在控制律方面則主要針對(duì)比例反饋控制和LQR最優(yōu)控制進(jìn)行了控制器設(shè)計(jì)。從結(jié)構(gòu)振動(dòng)控

6、制效果及對(duì)比分析可以看出，主動(dòng)控制能夠有效抑制結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，而LQR控制具有更高的控制效率。
　　本文還對(duì)衛(wèi)星適配器模型振動(dòng)主動(dòng)控制中壓電作動(dòng)器的位置優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，提出了一種基于結(jié)構(gòu)模態(tài)阻尼比最大化的優(yōu)化準(zhǔn)則。優(yōu)化過(guò)程中采用了累積法進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。數(shù)值仿真結(jié)果證明優(yōu)化后的作動(dòng)器布置能夠獲得最佳的阻尼特性，從而更加有效地控制結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。
　　最后，根據(jù)相關(guān)研究?jī)?nèi)容設(shè)計(jì)了不同的測(cè)試實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證理論分析和數(shù)值仿真結(jié)果：利用LMS系