衛(wèi)星適配器結(jié)構振動主被動控制方法研究.pdf

1、20世紀90年代以來，隨著航空航天、機械、建筑、船舶等眾多領域的飛速發(fā)展，結(jié)構的大型化、柔性化趨勢日益顯著，由之而來的結(jié)構振動破壞、失效以及干擾等問題已經(jīng)成為工程設計過程中不可忽視的客觀因素之一。結(jié)構的振動控制研究是國內(nèi)外工程界和學術界所面臨的一項重要而又充滿挑戰(zhàn)的課題。
　　目前國內(nèi)外航天工程中的衛(wèi)星適配器多采用金屬錐殼結(jié)構，該結(jié)構本身的阻尼特性較差，無法有效控制發(fā)射過程中的振動載荷對衛(wèi)星結(jié)構的影響。此外，截頂錐殼結(jié)構也是其他工

2、程領域應用非常廣泛的一種薄壁承載結(jié)構，發(fā)動機噴嘴、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。對這一類結(jié)構的振動動控制問題進行研究具有重要的現(xiàn)實意義，因此，本文以某衛(wèi)星適配器錐殼模型為研究對象，以結(jié)構的振動控制為目標進行了理論推導、數(shù)值仿真和實驗驗證工作。
　　首先，從控制器是否需要外界能量輸入角度，振動控制可以分為主動控制、被動控制兩類。本文中的結(jié)構振動的被動控制研究主要包括三個部分：1、通過兩自由度簡化模型分析了各

3、個系統(tǒng)參數(shù)對結(jié)構隔振效能的影響；2、采用復合材料蜂窩結(jié)構對衛(wèi)星適配器截頂錐殼模型進行結(jié)構改進，并用等效法進行了建模計算；3、應用模態(tài)應變能法對附加約束阻尼層的鋁制適配器截頂錐殼模型進行了數(shù)值模擬研究。將后面兩部分計算所得到的動力學特性與未改進的鋁制衛(wèi)星適配器錐殼模型的相關數(shù)據(jù)進行對比分析，可以證明文中衛(wèi)星適配器結(jié)構改進方案的優(yōu)越性。
　　其次，本文中的振動主動控制研究主要圍繞壓電智能結(jié)構的應用展開。在系統(tǒng)建模方面，通過利用四節(jié)點M

4、indlin層合板單元進行有限元建模過程的推導，對目前所普遍采用的壓電結(jié)構的建模方法進行了分析，并針對這一類方法難以對復雜壓電結(jié)構進行建模的問題，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)導出結(jié)構的動力學方程；然后根據(jù)彈性力學和壓電方程，得到壓電結(jié)構的作動方程；最后將壓電元件的作動力等效為載荷邊界條件加入動力學方程中完成建模。該方法是一種基于通用有限元軟件的計算機輔助建模(Compu

5、ter Aided Modeling)方法，是進行復雜結(jié)構動力學分析與主動控制研究最為可靠和快捷的手段。仿真結(jié)果對比證明了等效法建模的正確性與有效性。
　　第三，基于結(jié)構的有限元模型和動力學方程，利用獨立模態(tài)空間控制對衛(wèi)星適配器模型結(jié)構振動的主動控制進行了仿真研究。該方法是目前結(jié)構振動控制當中應用較為廣泛的一種方法，能夠使復雜結(jié)構的控制器設計得到簡化。在控制律方面則主要針對比例反饋控制和LQR最優(yōu)控制進行了控制器設計。從結(jié)構振動控

6、制效果及對比分析可以看出，主動控制能夠有效抑制結(jié)構的振動，而LQR控制具有更高的控制效率。
　　本文還對衛(wèi)星適配器模型振動主動控制中壓電作動器的位置優(yōu)化設計進行了研究，提出了一種基于結(jié)構模態(tài)阻尼比最大化的優(yōu)化準則。優(yōu)化過程中采用了累積法進行優(yōu)化計算。數(shù)值仿真結(jié)果證明優(yōu)化后的作動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)構的振動。
　　最后，根據(jù)相關研究內(nèi)容設計了不同的測試實驗來驗證理論分析和數(shù)值仿真結(jié)果：利用LMS系