[发明专利]一种航天器多级驱动刚柔耦合响应的获取方法

说明书

技术领域

本发明属于航天器动力学领域，涉及一种针对柔性多体类航天器的动力学响应获取方法。

背景技术

随着载人航天和通信技术的发展，航天器正逐渐由单轴驱动太阳翼形式向着多体方向发展，例如载人空间机械臂、双轴驱动太阳翼、多自由度驱动天线等。这种刚体和柔性体的混合系统，在各体之间存在大范围的转动驱动运动的同时，还叠加有柔性体的弹性振动。这种复杂的刚柔耦合动力学效应，以及与控制系统的控制-结构交叉耦合，使得这类复杂航天器在动力学特性分析，特别是GNC控制方案验证时对柔性多体系统的动力学模型及其解算需求十分迫切。对于这种刚-柔混合多体系统，基于刚体假设的动力学模型已无法描述其复杂的动力学性态，必须采取柔性多体动力学建模方法，同时考虑部件大范围运动和部件本身的变形。

20世纪70年代中期，有关柔性多体系统动力学的理论研究工作实际上已经展开。到目前为止，柔性多体系统动力学的研究虽然取得了不少成果，但是还没有达到多刚体系统动力学的研究水平，其主要原因是对物体大范围运动与弹性变形耦合问题的认识与处理方法上遇到困难。而目前的商业软件都是封装形式，只能进行响应计算，而无法给出解析式的动力学方程及其中间计算过程，导致无法提供控制系统设计所需的解析式模型，以及无法开展动力学与控制的联合仿真。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种航天器多级驱动刚柔耦合响应的获取方法，通过给出一套通用化的柔性多体动力学解析式模型，并对模型求解获取航天器的动力学响应，解决此类航天器复杂的机构运动与弹性振动的耦合动力学解算问题，可以为刚柔耦合多体结构航天器的动力学建模、刚柔耦合响应计算、控制系统设计，与控制系统的联合仿真提供技术支持。

本发明的技术解决方案是：一种航天器多级驱动刚柔耦合响应的获取方法，包括如下步骤：

(1)将航天器视为由本体、部件和关节三类结构组成，其中本体和部件之间，以及部件和部件之间通过关节连接，或者固定连接，部件为刚体或者柔性体，关节为带驱动功能的柔性体，包括电机和减速机构；

(2)获取本体的动能T_b，

其中，v_b是本体参考系O_bX_bY_bZ_b相对于惯性坐标系O_iX_iY_iZ_i的速度，在O_bX_bY_bZ_b下描述，ω_b是本体参考系O_bX_bY_bZ_b相对于惯性坐标系O_iX_iY_iZ_i的角速度，在O_bX_bY_bZ_b下描述，M_b是本体的质量，P_b是本体相对于本体参考系O_bX_bY_bZ_b的静矩，I_b是本体相对于本体参考系O_bX_bY_bZ_b的转动惯量；

(3)获取部件的动能T_ai和势能V_ai，

其中，η_ai是部件i的正则模态集的模态坐标，ξ_ai,1是部件i的约束模态集相对于部件i-1连接位置的界面节点物理坐标，ξ_ai,2是部件i的约束模态集相对于部件i+1连接位置的界面节点物理坐标，和中的各矩阵是质量阵和刚度阵根据η_ai、ξ_ai,1和ξ_ai,2划分后的分块矩阵；

(4)获取关节的动能T_ri和势能V_ti，