航天器大型柔性天线局部共振分析及主动控制研究

论文摘要

随着航天事业的迅猛发展,大型柔性天线越来越多地使用在空间技术中。由于制造、材料以及使用中的不当行为等多种因素导致天线结构失谐时,结构的振动模态沿周向不再均匀分布,这种局部模态会使卫星接收数据的能力大大降低,加速了结构的疲劳破坏,甚至影响结构寿命。传统的被动控制技术难以满足要求,振动主动控制成为必然选择。因此,对大型柔性天线振动模态局部化问题的研究和对其进行主动控制方法的探索成为研究热点。本文主要对大型柔性天线的局部模态的产生及其控制方法进行研究。首先详细阐述了周边桁架可展开天线的结构组成并将其简化。然后在ANSYS软件环境中,建立了可展开天线结构的有限元分析模型,分别得到了理想周期结构和失谐周期结构的固有频率与振型,通过对比证明了很小的失谐量就会使结构的振动模态产生急剧变化,并且这些模态的振动主要局限于结构的局部区域,即出现振动模态局部化现象。针对解耦后的方程和有限元软件分析所得的结果研究了直接负速度反馈和鲁棒性比较好的基于LQR独立模态控制方法,来控制结构的振动。为了验证上述振动控制方法的有效性,本文以简化后的平面天线作为研究对象进行了数值仿真研究。首先计算相应失谐周期结构的模态振型,并通过有限元分析软件ANSYS得到了失谐周期结构的质量矩阵和刚度矩阵,将矩阵导入MATLAB中,利用SIMULINK仿真环境进行仿真计算,得出主动控制前后结构的响应曲线。仿真结果表明:两种控制方法对天线结构的振动均有显著的抑制效果;且同等控制代价下LQR控制方法的控制效果明显优于直接负速度反馈方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 大型空间可展开天线的发展现状
• 1.2.1 可展开天线的结构形式分类及其各自特点
• 1.2.2 我国可展开天线研究情况
• 1.3 结构振动主动控制研究概况
• 1.3.1 压电智能结构研究概况
• 1.3.2 压电结构建模研究概况
• 1.4 本文主要工作
• 第2章 结构动力学建模与控制技术
• 2.1 结构动力学理论分析
• 2.2 索-膜结构体系的非线性有限元分析
• 2.2.1 膜单元的有限元分析
• 2.2.2 索单元的有限元分析
• 2.3 索-膜结构找形分析
• 2.3.1 力密度法（Force Density Method）
• 2.3.2 动力松弛法（DynamieRe一axationMethod）
• 2.3.3 非线性有限元（Non-linear Finite Element Method）
• 2.4 ANSYS实例分析
• 2.5 主动控制技术概述
• 2.6 本章小结
• 第3章 大型柔性天线结构的有限元模型
• 3.1 周边桁架可展开天线结构的总体构造
• 3.2 结构振动模态局部化综述
• 3.3 有限元分析模型的建立
• 3.4 模态振型对比分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 天线局部共振主动控制仿真研究
• 4.1 简化天线模型的模态分析
• 4.2 天线比例反馈控制仿真
• 4.3 基于LQR的独立模态控制
• 4.4 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