卫星适配器结构振动主被动控制方法研究

论文摘要

20世纪90年代以来,随着航空航天、机械、建筑、船舶等众多领域的飞速发展,结构的大型化、柔性化趋势日益显著,由之而来的结构振动破坏、失效以及干扰等问题已经成为工程设计过程中不可忽视的客观因素之一。结构的振动控制研究是国内外工程界和学术界所面临的一项重要而又充满挑战的课题。目前国内外航天工程中的卫星适配器多采用金属锥壳结构,该结构本身的阻尼特性较差,无法有效控制发射过程中的振动载荷对卫星结构的影响。此外,截顶锥壳结构也是其他工程领域应用非常广泛的一种薄壁承载结构,发动机喷嘴、连接单元、各种适配器以及整流罩外壳等都可以看作锥壳结构。对这一类结构的振动动控制问题进行研究具有重要的现实意义,因此,本文以某卫星适配器锥壳模型为研究对象,以结构的振动控制为目标进行了理论推导、数值仿真和实验验证工作。首先,从控制器是否需要外界能量输入角度,振动控制可以分为主动控制、被动控制两类。本文中的结构振动的被动控制研究主要包括三个部分:1、通过两自由度简化模型分析了各个系统参数对结构隔振效能的影响;2、采用复合材料蜂窝结构对卫星适配器截顶锥壳模型进行结构改进,并用等效法进行了建模计算;3、应用模态应变能法对附加约束阻尼层的铝制适配器截顶锥壳模型进行了数值模拟研究。将后面两部分计算所得到的动力学特性与未改进的铝制卫星适配器锥壳模型的相关数据进行对比分析,可以证明文中卫星适配器结构改进方案的优越性。其次,本文中的振动主动控制研究主要围绕压电智能结构的应用展开。在系统建模方面,通过利用四节点Mindlin层合板单元进行有限元建模过程的推导,对目前所普遍采用的压电结构的建模方法进行了分析,并针对这一类方法难以对复杂压电结构进行建模的问题,提出了一种基于通用有限元软件的等效建模方法:即利用通用有限元软件(Patran/Nastran)导出结构的动力学方程;然后根据弹性力学和压电方程,得到压电结构的作动方程;最后将压电元件的作动力等效为载荷边界条件加入动力学方程中完成建模。该方法是一种基于通用有限元软件的计算机辅助建模(Computer Aided Modeling)方法,是进行复杂结构动力学分析与主动控制研究最为可靠和快捷的手段。仿真结果对比证明了等效法建模的正确性与有效性。第三,基于结构的有限元模型和动力学方程,利用独立模态空间控制对卫星适配器模型结构振动的主动控制进行了仿真研究。该方法是目前结构振动控制当中应用较为广泛的一种方法,能够使复杂结构的控制器设计得到简化。在控制律方面则主要针对比例反馈控制和LQR最优控制进行了控制器设计。从结构振动控制效果及对比分析可以看出,主动控制能够有效抑制结构的振动,而LQR控制具有更高的控制效率。本文还对卫星适配器模型振动主动控制中压电作动器的位置优化设计进行了研究,提出了一种基于结构模态阻尼比最大化的优化准则。优化过程中采用了累积法进行优化计算。数值仿真结果证明优化后的作动器布置能够获得最佳的阻尼特性,从而更加有效地控制结构的振动。最后,根据相关研究内容设计了不同的测试实验来验证理论分析和数值仿真结果:利用LMS系统对复合材料蜂窝结构卫星适配器模型进行了模态测试,实验结果与前文中的相关仿真结果吻合较好;应用振动台实验对上述模型的振动传递特性进行了测试,从结果中可以看出改进后的卫星适配器结构具有良好的隔振效能;基于MATLAB软件中的xPC实时控制平台,利用压电作动器对锥壳结构的低频振动进行了控制,控制前后的结果对比证明了主动控制方法的有效性和可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 课题的研究目的及意义
• 1.3 结构振动被动控制研究概况
• 1.3.1 被动隔振技术
• 1.3.2 被动减振技术
• 1.3.3 针对振动控制的结构改进
• 1.4 结构振动主动控制研究概况
• 1.4.1 智能材料结构
• 1.4.2 压电材料结构的建模
• 1.4.3 振动主动控制策略与算法
• 1.4.4 压电结构的参数优化
• 1.4.5 压电结构实验研究
• 1.5 本文主要研究内容
• 第2章 卫星适配器结构振动被动控制研究
• 2.1 引言
• 2.2 结构被动隔振分析
• 2.2.1 结构隔振的简化模型
• 2.2.2 结构参数对隔振效能的影响分析
• 2.2.3 隔振系统设计
• 2.3 卫星适配器的结构改进
• 2.3.1 蜂窝结构的力学性能
• 2.3.2 蜂窝结构的等效计算模型
• 2.3.3 卫星适配器结构改进结果分析
• 2.4 约束阻尼层减振
• 2.4.1 粘弹性阻尼材料的特性
• 2.4.2 约束阻尼结构的动力分析
• 2.4.3 不同结构适配器模型动力学特性对比与分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 压电智能结构建模方法研究
• 3.1 引言
• 3.2 压电材料与压电方程
• 3.3 压电板壳结构的层合理论建模
• 3.3.1 压电层合结构基本假定
• 3.3.2 压电层合平板壳单元模型
• 3.3.3 压电结构中电场强度的确定
• 3.3.4 压电结构的动力学方程
• 3.4 基于通用有限元程序的建模方法
• 3.4.1 通用有限元程序中的薄板壳单元建模
• 3.4.2 压电结构的平面应力问题
• 3.4.3 一维压电结构的作动方程
• 3.4.4 二维压电结构的作动方程
• 3.5 数值算例
• 3.5.1 压电梁的仿真计算
• 3.5.2 压电板的仿真计算
• 3.6 本章小结
• 第4章 卫星适配器结构振动主动控制研究
• 4.1 引言
• 4.2 卫星适配器结构的主动控制模型
• 4.2.1 有限元模型
• 4.2.2 动力学模型
• 4.3 卫星适配器主动控制模型的模态空间描述
• 4.3.1 模态坐标变换
• 4.3.2 实际控制力的计算
• 4.4 卫星适配器结构振动主动控制器设计
• 4.4.1 比例反馈控制器设计
• 4.4.2 LQR最优控制器设计
• 4.5 控制效果分析
• 4.5.1 比例反馈控制效果分析
• 4.5.2 LQR最优控制效果分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 卫星适配器主动结构作动器位置优化设计
• 5.1 引言
• 5.2 基于模态阻尼比最大化的压电作动器位置优化
• 5.2.1 优化计算的数学模型
• 5.2.2 模态阻尼比最大化准则
• 5.2.3 作动器优化的累加算法
• 5.3 卫星适配器结构振动主动控制的作动器优化设计
• 5.3.1 作动器位置优化模型
• 5.3.2 优化设计及结果分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 卫星适配器结构振动控制实验研究
• 6.1 引言
• 6.2 卫星适配器模型的动力学特性实验
• 6.2.1 实验系统
• 6.2.2 实验测试及结果分析
• 6.3 卫星适配器结构的振动传递特性实验
• 6.3.1 实验系统
• 6.3.2 实验测试及结果分析
• 6.4 卫星适配器结构振动主动控制实验
• 6.4.1 实验系统
• 6.4.2 实验测试及结果分析
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历