[发明专利]大型空间可展开桁架结构关节铰链连接刚度在轨辨识方法

说明书

本发明公开了一种大型空间可展开桁架结构关节铰链连接刚度在轨辨识方法，步骤一：建立关节铰链接头连接非线性刚度模型；步骤二：建立大型空间可展开桁架结构展开锁紧后的有限元模型；步骤三：设计正交实验表；步骤四：基于虚拟仿真获取机器学习样本；步骤五：通过模型训练与测试获取最优机器学习模型；步骤六，大型空间可展开桁架结构在轨瞬态响应测量；步骤七：基于在轨振动测试数据的大型空间可展开桁架结构关节铰链连接刚度在轨辨识。通过虚拟仿真及在轨振动测试和机器学习相结合的方法，能够准确辨识大型环形桁架天线、太阳翼桁架结构等大型空间桁架结构的各关节铰链连接刚度，特别适用于含有众多间隙的大型桁架的在轨动力学特性预测，为卫星系统在轨动力学模型修正与姿态控制提供了有力支撑。

技术领域

本发明属于卫星等航天器在轨结构参数辨识领域，具体涉及一种大型空间可展开桁架结构关节铰链连接刚度在轨辨识方法。

背景技术

随着航天器结构的大型化和柔性化，大型空间可展开桁架结构得到越来越广泛的应用。桁架结构可以作为航天器的主体结构如太空机械臂，也可以作为有效载荷如大型展开天线、太阳帆板和太空望远镜等的支撑结构。以空间超大型可展开天线为例，由于其具有可折叠、收纳率高、质径比小等优点，在卫星通信、天基电子侦察、深空探测等方面均能发挥重要作用。这类天线在发射时处于收拢状态，发射入轨后按指令展开，展开到位后锁定并保持工作状态。

由于机构运动副和其它设计需求，大型空间可展开桁架结构构件是通过三维铰链连接的，在展开锁定之后仍含有众多无法完全消除的微小间隙。这些间隙虽然非常小，但由于运动副数量众多，大量铰接间隙会导致结构整体刚度下降并影响其动力学特性(如固有频率等)，同时使得展开桁架结构在展开过程中容易引发结构振动和变形，不利于天线型面状态保持和卫星姿态控制，锁定后在时变热载荷等作用下容易引发振动，一旦受到各种外部和内部的干扰很容易激起低频、大幅度、长时间的振动，又由于其自身的低阻尼特性，振动很难自行衰减。这些都将直接影响航天器姿态运动以及有效载荷的指向稳定度，而且这些因素往往难以完全有效控制。由于铰链间隙是不可避免的，对机构动力学特性影响较大，因此，需要对含众多间隙的大型空间可展开桁架结构进行在轨动力学参数(如铰链连接刚度等)进行动力学辨识。由于运动副间隙导致的结构非线性振动属于非光滑系统动力学问题，具有时变铰链连接刚度的大型空间可展开桁架结构属于多模系统，且随着系统自由度增加，这种非光滑动力学现象变得更为复杂，这些都为大型空间可展开桁架结构的动力学特性预测带了极大困难，也对卫星系统姿态控制带来了诸多不确定性和挑战。对于自由度达到数万量级的空间桁架结构，其关节铰链连接刚度精确辨识也变得越来越重要。

发明内容

针对上述问题，本发明旨在提供一种可展开桁架结构的关节铰链的连接刚度在轨辨识方法，专用于含有众多间隙的大型桁架的在轨动力学特性预测。

为此，本发明所采用的技术方案为：一种大型空间可展开桁架结构关节铰链连接刚度在轨辨识方法，包括以下步骤：

步骤一：建立关节铰链接头连接非线性刚度模型；

首先，建立大型空间可展开桁架结构中所有类型关节铰链接头的三维几何模型，所述关节铰链接头带有铰链间隙，然后对该三维几何模型进行包括网格离散、材料参数定义、接触定义在内的前处理工作，进而建立关节铰链接触碰撞有限元模型；

然后，对关节铰链的一端固定，另外一端施加沿x轴正、反方向线性增大的载荷，获得该关节铰链接头在x轴上的非线性力—位移曲线，进而获得该关节铰链接头在x向的非线性刚度曲线；然后在y向和z向重复以上操作，获得该关节铰链接头在y和z向的非线性刚度曲线，进而建立关节铰链接头的非线性刚度模型；

步骤二：建立大型空间可展开桁架结构展开锁紧后的有限元模型；

基于参数化建模思想，建立大型空间可展开桁架结构展开锁紧后的有限元模型，模型中各桁架采用薄壁梁单元模拟，拉索采用含初始张力的索单元模拟，各铰链接头连接刚度采用非线性弹簧模拟，其中非线性弹簧模拟即非线性刚度模型，并对各关节铰链接头进行编号；