含空间约束的航天器柔性线缆力学建模与仿真研究

摘要

卫星等航天器结构复杂、紧凑、功能模块众多,系统内线缆错综复杂、种类繁多;线缆进行信息传递、能量传输、结构柔性连接等保证航天器独立长期在轨运行,可靠性要求高。目前,传统的人工布线方法已经淘汰,现有的计算机辅助布线方法难以全面考虑线缆的物理特性,真实性、即时性等也未完全达到现代工业的要求。因此,本文针对线缆具有真实的物理特性,考虑装配空间的约束,建立线缆力学模型,并利用数值积分法求解验证,为线缆路径规划提供理论基础。
　　针对卫星线缆大挠度变形的特点,考虑线缆物理特性,建立了线缆的力学模型,包括:提出一种以矢径、俯偏角表达线缆任意一点位置,以四坐标系之间互相转换描述线缆空间姿态的线缆空间位姿表达法;建立了线缆在仅受自身重力和环境分布力时的静力平衡模型;根据线缆的物理特性、运动参数和受力条件建立了线缆的运动学方程和动力学模型,其模型中综合考虑了线缆的截面、质量、力学特性等物理因素。通过线缆力学模型的求解,分析了线缆的姿态、运动参数、内部受力等因受外力作用随线缆长度和运动时间的变化规律,为在虚拟环境下布线提供理论基础。
　　线缆的布线环境是由众多的模块单元、功能组件杂乱的组合而成,其结构复杂,约束繁多。本文将线缆复杂的约束类型分为5类:端点约束、预紧力约束、平面约束、点线约束和局部分布力约束,分析了各种约束对线缆几何因素、运动因素、受力因素等的影响,并重新建立了线缆在特定约束下的力学模型。
　　针对线缆各项参数与线缆长度和运动时间之间不存在明确的函数关系,利用MATLAB软件的数学计算和可视化功能,对线缆的力学模型和线缆空间约束类型等进行数值模拟,求解线缆在各条件下的空间位姿、运动参数、内部受力等结果,验证线缆力学模型的正确性。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪 论

1.1 课题来源及研究的背景和意义

1.2 国内外研究现状及分析

1.3 线缆建模方法

1.4 本文的主要研究内容

第2章 理想约束的柔性线缆的力学建模

2.1 柔性线缆空间位置和姿态的几何描述

2.2 考虑物理特性的线缆静力平衡模型

2.3 考虑线缆物理特性的线缆动力学模型

2.4 本章小结

第3章 线缆空间约束及对线缆力学模型的影响分析

3.1 线缆空间约束

3.2 空间约束下的线缆力学建模

3.3 本章小结

第4章 柔性线缆力学模型的仿真研究

4.1 线缆物理特性参数

4.2 线缆空间位姿的仿真研究

4.3 线缆静力学模型的仿真研究

4.4 线缆的动力学方程仿真研究

4.5 本章小结

结论与展望

参考文献

声明

致谢