CN109188900A - 一种外界扰动引起的航天器柔性部件振动被动抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种外界扰动引起的航天器柔性部件振动被动抑制方法，包括以下步骤：1)建立振动冲击被动控制动力学模型，得减振机构的缓冲比；2)给定减振机构的结构参数范围，以减振机构的质量参数及减振机构的体积参数为约束条件，以减振机构的减振比为优化目的，采用粒子群算法求解减振机构的最优结构参数；3)根据减振机构的最优结构参数制备减振机构，然后将减振机构安装于航天器与柔性部件之间，完成外界扰动引起的航天器柔性部件振动被动抑制，该方法有效的抑制航天器主体晃动，降低柔性部件振动对航天器主体的影响。

Description

一种外界扰动引起的航天器柔性部件振动被动抑制方法

技术领域

本发明属于空间航天器柔性部件振动抑制控制领域，涉及一种外界扰动引起的航天器柔性部件振动被动抑制方法。

背景技术

由于任务的需要，越来越多的航天器搭载柔性部件，包括大型桁架机构、太阳帆、天线等。这些柔性部件在外界的扰动激励下会产生振动，而这些振动会影响到航天器主体的晃动，从而会影响航天器本体的载荷的工作情况，情况严重会影响整体任务，因此需要针对该问题设计柔性部件振动控制方法，以降低航天器主体的晃动。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种外界扰动引起的航天器柔性部件振动被动抑制方法，该方法有效的抑制航天器主体晃动，降低柔性部件振动对航天器主体的影响。

为达到上述目的，本发明所述的外界扰动引起的航天器柔性部件振动被动抑制方法包括以下步骤：

1)建立振动冲击被动控制动力学模型，得减振机构的缓冲比；

2)给定减振机构的结构参数范围，以减振机构的质量参数及减振机构的体积参数为约束条件，以减振机构的减振比为优化目的，采用粒子群算法求解减振机构的最优结构参数；

3)根据减振机构的最优结构参数制备减振机构，然后将减振机构安装于航天器与柔性部件之间，完成外界扰动引起的航天器柔性部件振动被动抑制。

所述减振机构包括第一连接杆、第二连接杆、顶层圆盘、底层圆盘及若干可变形菱形结构，其中，顶层圆盘通过第一连接杆与航天器相连接，底层圆盘通过第二连接杆与柔性部件相连接，各可变形菱形结构的一端轴连接于顶层圆盘上，各可变形菱形结构的另一端轴连接于底层圆盘上，且顶层圆盘底部的中心位置与底层圆盘上表面的中心位置通过球铰链相连接。

可变形菱形结构的数目为三个，且三个可变形菱形结构沿周向均匀分布。

减振机构的几何变量为：

由式(1)得

整个系统的平动能量K_mp(trans)为：

整个系统转动时的能量K_mp(rot)为：

整个系统的转动惯量I_(T)为：

顶层圆盘的角速度与底层圆盘的角速度之间的关系为：

底层圆盘的角速度Ω_mp(B)为：

顶层圆盘的角速度Ω_mp(T)为：

系统的动能K_mp可以表示为：

其中：

式(8)可以表示为：

系统的虚功δW_i为：

将表示为

则式(10)可以表示为：

其中，

由哈密顿原理，得

则有：

结合式(14)及式(15)，得整个系统在不受外力的条件下的振动冲击被动控制动力学模型为：

设整个系统在Z轴上的扰动力为F_z时，则振动冲击被动控制动力学模型为：

求解式(16)及式(17)，分别得在不受外力的条件下及受Z轴方向上扰动力F_z时减振机构的缓冲比。

步骤2)的具体操作为：

1a)给定减振机构的结构参数(c_a,c_β,c_γ,c_x,c_y,c_z,k_h,k_v)的范围；

2a)设优化指标为减振机构的振动传动比T_cx，其中，

其中，P_Tx,P_Bx分别为顶层圆盘及底层圆盘的振动幅值；

3a)在给定外界干扰下，设定减振机构的减振比为优化目标，采用粒子群算法，在给定的减振机构的结构参数范围内，选取振动冲击被动控制动力学模型中的结构参数值，求解减振机构的最优结构参数。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的外界扰动引起的航天器柔性部件振动被动抑制方法在具体操作时，以减振机构的质量参数及减振机构的体积参数为约束条件，以减振机构的减振比为优化目的，采用粒子群算法求解减振机构的最优结构参数，并以此制备减振机构，然后将减振机构安装于柔性部件与航天器主体之间，从而最大程度上降低柔性部件振动对航天器主体的影响，进而抑制航天器主体晃动。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中顶层圆盘1、底层圆盘2及可变形菱形结构3的连接关系图。

其中，1为顶层圆盘、2为底层圆盘、3为可变形菱形结构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1所示，本发明所述的外界扰动引起的航天器柔性部件振动被动抑制方法包括以下步骤：

1)建立振动冲击被动控制动力学模型，得减振机构的缓冲比；

2)给定减振机构的结构参数范围，以减振机构的质量参数及减振机构的体积参数为约束条件，以减振机构的减振比为优化目的，采用粒子群算法求解减振机构的最优结构参数；

3)根据减振机构的最优结构参数制备减振机构，然后将减振机构安装于航天器与柔性部件之间，完成外界扰动引起的航天器柔性部件振动被动抑制。

所述减振机构包括第一连接杆、第二连接杆、顶层圆盘1、底层圆盘2及若干可变形菱形结构3，其中，顶层圆盘1通过第一连接杆与航天器相连接，底层圆盘2通过第二连接杆与柔性部件相连接，各可变形菱形结构3的一端轴连接于顶层圆盘1上，各可变形菱形结构3的另一端轴连接于底层圆盘2上，且顶层圆盘1底部的中心位置与底层圆盘2上表面的中心位置通过球铰链相连接；可变形菱形结构3的数目为三个，且三个可变形菱形结构3沿周向均匀分布。

减振机构的几何变量为：

由式(1)得

整个系统的平动能量K_mp(trans)为：

整个系统转动时的能量K_mp(rot)为：

整个系统的转动惯量I_(T)为：

顶层圆盘1的角速度与底层圆盘2的角速度之间的关系为：

底层圆盘2的角速度Ω_mp(B)为：

顶层圆盘1的角速度Ω_mp(T)为：

系统的动能K_mp可以表示为：

其中：

式(8)可以表示为：

系统的虚功δW_i为：

将表示为则式(10)可以表示为：

其中，

由哈密顿原理，得

则有：

结合式(14)及式(15)，得整个系统在不受外力的条件下的振动冲击被动控制动力学模型为：

设整个系统在Z轴上的扰动力为F_z时，则振动冲击被动控制动力学模型为：

求解式(16)及式(17)，分别得在不受外力的条件下及受Z轴方向上扰动力F_z时减振机构的缓冲比。

步骤2)的具体操作为：

1a)给定减振机构的结构参数(c_a,c_β,c_γ,c_x,c_y,c_z,k_h,k_v)的范围；

2a)设优化指标为减振机构的振动传动比T_cx，其中，

其中，P_Tx,P_Bx分别为顶层圆盘1及底层圆盘2的振动幅值；

3a)在给定外界干扰下，设定减振机构的减振比为优化目标，采用粒子群算法，在给定的减振机构的结构参数范围内，选取振动冲击被动控制动力学模型中的结构参数值，求解减振机构的最优结构参数。

Claims (5)

1.一种外界扰动引起的航天器柔性部件振动被动抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立振动冲击被动控制动力学模型，得减振机构的缓冲比；

2)给定减振机构的结构参数范围，以减振机构的质量参数及减振机构的体积参数为约束条件，以减振机构的减振比为优化目的，采用粒子群算法求解减振机构的最优结构参数；

3)根据减振机构的最优结构参数制备减振机构，然后将减振机构安装于航天器与柔性部件之间，完成外界扰动引起的航天器柔性部件振动被动抑制。

2.根据权利要求1所述的外界扰动引起的航天器柔性部件振动被动抑制方法，其特征在于，所述减振机构包括第一连接杆、第二连接杆、顶层圆盘(1)、底层圆盘(2)及若干可变形菱形结构(3)，其中，顶层圆盘(1)通过第一连接杆与航天器相连接，底层圆盘(2)通过第二连接杆与柔性部件相连接，各可变形菱形结构(3)的一端轴连接于顶层圆盘(1)上，各可变形菱形结构(3)的另一端轴连接于底层圆盘(2)上，且顶层圆盘(1)底部的中心位置与底层圆盘(2)上表面的中心位置通过球铰链相连接。

3.根据权利要求2所述的外界扰动引起的航天器柔性部件振动被动抑制方法，其特征在于，可变形菱形结构(3)的数目为三个，且三个可变形菱形结构(3)沿周向均匀分布。

4.根据权利要求1所述的外界扰动引起的航天器柔性部件振动被动抑制方法，其特征在于，减振机构的几何变量为：

由式(1)得

整个系统的平动能量K_mp(trans)为：

整个系统转动时的能量K_mp(rot)为：

整个系统的转动惯量I_(T)为：

顶层圆盘(1)的角速度与底层圆盘(2)的角速度之间的关系为：

底层圆盘(2)的角速度Ω_mp(B)为：

顶层圆盘(1)的角速度Ω_mp(T)为：

系统的动能K_mp可以表示为：

其中：

式(8)可以表示为：

系统的虚功δW_i为：

将表示为

则式(10)可以表示为：

其中，

由哈密顿原理，得

则有：

结合式(14)及式(15)，得整个系统在不受外力的条件下的振动冲击被动控制动力学模型为：

设整个系统在Z轴上的扰动力为F_z时，则振动冲击被动控制动力学模型为：

求解式(16)及式(17)，分别得在不受外力的条件下及受Z轴方向上扰动力F_z时减振机构的缓冲比。

5.根据权利要求1所述的外界扰动引起的航天器柔性部件振动被动抑制方法，其特征在于，步骤2)的具体操作为：

1a)给定减振机构的结构参数(c_a,c_β,c_γ,c_x,c_y,c_z,k_h,k_v)的范围；

2a)设优化指标为减振机构的振动传动比T_cx，其中，

其中，P_Tx,P_Bx分别为顶层圆盘(1)及底层圆盘(2)的振动幅值；

3a)在给定外界干扰下，设定减振机构的减振比为优化目标，采用粒子群算法，在给定的减振机构的结构参数范围内，选取振动冲击被动控制动力学模型中的结构参数值，求解减振机构的最优结构参数。