衛(wèi)星飛輪被動(dòng)隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種衛(wèi)星飛輪被動(dòng)隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，包括：分析飛輪的構(gòu)型及組成，以多體動(dòng)力學(xué)理論、有限元理論為指導(dǎo)，建立飛輪的多體動(dòng)力學(xué)模型并修正；根據(jù)地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)和修正后飛輪模型的振動(dòng)特性仿真分析結(jié)果提出飛輪被動(dòng)隔振方案設(shè)計(jì)，包括隔振器剛度設(shè)計(jì)、阻尼設(shè)計(jì)、布局設(shè)計(jì)；根據(jù)方案設(shè)計(jì)結(jié)合飛輪動(dòng)力學(xué)模型，仿真分析該方案的性能，若滿足指標(biāo)要求則進(jìn)行地面試驗(yàn)驗(yàn)證，若不滿足則重新進(jìn)行方案設(shè)計(jì)；為進(jìn)一步驗(yàn)證方案的可行性，進(jìn)行飛輪地面被動(dòng)隔振試驗(yàn)，若滿足則設(shè)計(jì)完成，若不滿足則重新進(jìn)行被動(dòng)隔振方案設(shè)計(jì)。本發(fā)明能夠有效降低飛輪對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)的微振動(dòng)干擾，為高精度、高分辨率、高穩(wěn)定超靜平臺(tái)的發(fā)展提供技術(shù)支撐。
【專利說明】衛(wèi)星飛輪被動(dòng)隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及衛(wèi)星飛輪被動(dòng)隔振設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體地，涉及一種衛(wèi)星飛輪被動(dòng)隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著航天技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星有效載荷的精度越來越高，與此同時(shí)對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)的微振動(dòng)環(huán)境提出了苛刻的要求。為了滿足衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)節(jié)的要求，衛(wèi)星都備有飛輪或力矩陀螺等轉(zhuǎn)動(dòng)部件，這必然引入了振動(dòng)干擾源，根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)飛輪對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)的振動(dòng)影響最大，針對(duì)飛輪進(jìn)行被動(dòng)隔振設(shè)計(jì)是解決這一問題的有效途徑。被動(dòng)隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括隔振器的剛度設(shè)計(jì)、阻尼設(shè)計(jì)、布局設(shè)計(jì)等等，這些參數(shù)的設(shè)計(jì)必須以飛輪振動(dòng)特性參數(shù)為指導(dǎo)，而飛輪參數(shù)的獲取必須以仿真分析和地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)為指導(dǎo)。然而，飛輪振動(dòng)特性仿真分析存在模型準(zhǔn)確建模難、轉(zhuǎn)動(dòng)部件特性準(zhǔn)確描述難等特點(diǎn)，使得仿真結(jié)果難以與試驗(yàn)統(tǒng)一，進(jìn)而難以指導(dǎo)、支持和論證被動(dòng)隔振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。因此，在飛輪被動(dòng)隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)研制的工程實(shí)際過程中，如何準(zhǔn)確、高效地進(jìn)行衛(wèi)星飛輪被動(dòng)隔振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)顯得至關(guān)重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種衛(wèi)星飛輪被動(dòng)隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。
[0004]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種衛(wèi)星飛輪被動(dòng)隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟:
[0005]步驟1:根據(jù)飛輪設(shè)計(jì)方案分析飛輪構(gòu)型，將飛輪支架結(jié)構(gòu)與飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)部件分開進(jìn)行單獨(dú)建模分析；
[0006]步驟2:綜合飛輪地面振動(dòng)特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)和飛輪運(yùn)動(dòng)控制策略，利用有限元理論和多體動(dòng)力學(xué)理論進(jìn)行飛輪動(dòng)力學(xué)建模并修正；
[0007]步驟3:根據(jù)步驟2建立飛輪動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行飛輪振動(dòng)特性仿真分析，并根據(jù)分析仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行被動(dòng)隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)；
[0008]步驟4:設(shè)計(jì)后的隔振系統(tǒng)與飛輪動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真分析驗(yàn)證隔振性能，若滿足指標(biāo)要求則進(jìn)行地面試驗(yàn)，若不滿足指標(biāo)要求則重新進(jìn)行隔振系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)；
[0009]步驟5:通過仿真分析驗(yàn)證隔振系統(tǒng)的性能后進(jìn)行地面試驗(yàn)驗(yàn)證隔振系統(tǒng)的隔振性能，若地面試驗(yàn)結(jié)果表明被動(dòng)隔振系統(tǒng)滿足指標(biāo)要求，則整個(gè)設(shè)計(jì)流程結(jié)束，若不滿足指標(biāo)要求則重新進(jìn)行隔振系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，直至滿足指標(biāo)要求。
[0010]優(yōu)選地，步驟2包括:
[0011]步驟21:綜合飛輪支架地面振動(dòng)特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用有限元理論進(jìn)行飛輪支架結(jié)構(gòu)有限元模型建模并修正；
[0012]步驟22:綜合飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)部件地面振動(dòng)特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，利用有限元理論和多體動(dòng)力學(xué)理論建立轉(zhuǎn)動(dòng)部件的含控制模型的飛輪多體動(dòng)力學(xué)模型。[0013]優(yōu)選地，步驟21中通過Patran/Nastran軟件進(jìn)行飛輪支架結(jié)構(gòu)有限元模型建模；步驟22中通過Matlab/Simulink軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)部件控制系統(tǒng)的控制模型建模，并通過Adams軟件進(jìn)行飛輪動(dòng)力學(xué)模型建模。
[0014]優(yōu)選地，飛輪支架結(jié)構(gòu)有限元模型包括:飛輪支架與飛輪安裝面、飛輪支架主體和飛輪支架與星體安裝面，飛輪支架與飛輪安裝面、飛輪支架主體和飛輪支架與星體安裝面依次連接。飛輪支架與飛輪安裝面保證飛輪支架和飛輪的安裝；飛輪支架主體保證飛輪的安裝剛強(qiáng)度，傳遞力矩；飛輪支架與星體安裝面，保證飛輪支架和星體的安裝。
[0015]優(yōu)選地，控制模型采用經(jīng)典PID控制策略，通過調(diào)節(jié)Kp、K1、Kd三個(gè)參數(shù)使系統(tǒng)獲得最優(yōu)控制效果。
[0016]優(yōu)選地，飛輪動(dòng)力學(xué)模型包括:控制系統(tǒng)Matlab/Simulink、飛輪支架結(jié)構(gòu)有限元模型和飛輪多體動(dòng)力學(xué)模型，控制系統(tǒng)Matlab/Simulink分別與飛輪支架結(jié)構(gòu)有限元模型和飛輪多體動(dòng)力學(xué)模型連接，且控制系統(tǒng)Matlab/Simulink與飛輪多體動(dòng)力學(xué)模型連接形成閉環(huán)控制回路。
[0017]優(yōu)選地，地面振動(dòng)特性試驗(yàn)包括模態(tài)試驗(yàn)和振動(dòng)試驗(yàn)，地面振動(dòng)特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)包括質(zhì)量特性數(shù)據(jù)、模態(tài)特性數(shù)據(jù)和振動(dòng)傳遞特性數(shù)據(jù)。
[0018]優(yōu)選地，被動(dòng)隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括隔振器的剛度設(shè)計(jì)、阻尼設(shè)計(jì)和布局設(shè)計(jì)。
[0019]本發(fā)明從工程實(shí)際角度出發(fā)，采用了全面豐富的工程測(cè)試數(shù)據(jù)和參數(shù)優(yōu)化措施，提出了一種可以準(zhǔn)確、高效地進(jìn)行衛(wèi)星飛輪被動(dòng)隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法，能夠有效降低飛輪對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)的微振動(dòng)干擾。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:本發(fā)明將飛輪支架結(jié)構(gòu)與飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)部件分開考慮建模，前者利用模態(tài)試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)行模型修正；后者利用轉(zhuǎn)動(dòng)部件地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模和修正，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、高效地進(jìn)行衛(wèi)星飛輪被動(dòng)隔振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能夠有效降低飛輪對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)的微振動(dòng)干擾，為高精度、高分辨率、高穩(wěn)定超靜平臺(tái)的發(fā)展提供技術(shù)支撐。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]通過閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯:
[0021]圖1為本發(fā)明衛(wèi)星飛輪被動(dòng)隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的執(zhí)行流程圖；
[0022]圖2為飛輪支架結(jié)構(gòu)有限元模型的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖3為飛輪動(dòng)力學(xué)模型的結(jié)構(gòu)原理圖。
[0024]圖中，I為飛輪支架與飛輪安裝面；2為飛輪支架主體；3為飛輪支架與星體安裝面。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0026]請(qǐng)參閱圖1，一種衛(wèi)星飛輪被動(dòng)隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟:[0027]步驟1:根據(jù)飛輪設(shè)計(jì)方案分析飛輪構(gòu)型，將飛輪支架結(jié)構(gòu)與飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)部件分開進(jìn)行單獨(dú)建模分析。
[0028]步驟2:綜合飛輪地面振動(dòng)特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)和飛輪運(yùn)動(dòng)控制策略，利用有限元理論和多體動(dòng)力學(xué)理論進(jìn)行飛輪多體動(dòng)力學(xué)建模并修正。具體包括:
[0029]步驟21:綜合飛輪支架地面振動(dòng)特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用有限元理論進(jìn)行飛輪支架結(jié)構(gòu)有限元模型建模并修正。
[0030]具體地，飛輪支架結(jié)構(gòu)有限元模型包括:飛輪支架與飛輪安裝面1、飛輪支架主體2和飛輪支架與星體安裝面3，飛輪支架與飛輪安裝面1、飛輪支架主體2和飛輪支架與星體安裝面3依次連接。飛輪支架與飛輪安裝面I用于保證飛輪支架和飛輪的安裝；飛輪支架主體2用于保證飛輪的安裝剛強(qiáng)度，傳遞力矩；飛輪支架與星體安裝面3用于保證飛輪支架和星體的安裝。
[0031]進(jìn)一步地，本發(fā)明具體采用“模態(tài)價(jià)值降階法”對(duì)飛輪支架結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行優(yōu)化。
[0032]步驟22:綜合飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)部件地面振動(dòng)特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，利用有限元理論和多體動(dòng)力學(xué)理論建立轉(zhuǎn)動(dòng)部件的含控制模型的飛輪多體動(dòng)力學(xué)模型。
[0033]具體地，控制模型采用經(jīng)典PID控制策略，通過調(diào)節(jié)HKd三個(gè)參數(shù)使系統(tǒng)獲得最優(yōu)控制效果。
[0034]具體地,飛輪動(dòng)力學(xué)模型包括:控制系統(tǒng)Matlab/Simulink、飛輪支架結(jié)構(gòu)有限元模型和飛輪多體動(dòng)力學(xué)模型，控制系統(tǒng)Matlab/Simulink分別與飛輪支架結(jié)構(gòu)有限元模型和飛輪多體動(dòng)力學(xué)模型連接，且控制系統(tǒng)Matlab/Simulink與飛輪多體動(dòng)力學(xué)模型連接形成閉環(huán)控制回路。
[0035]進(jìn)一步地,步驟21中通過Patran/Nastran軟件進(jìn)行飛輪支架結(jié)構(gòu)有限元模型建模；步驟22中通過Matlab/Simulink軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)部件控制系統(tǒng)的控制模型建模，并通過Adams軟件進(jìn)行飛輪動(dòng)力學(xué)模型建模。
[0036]進(jìn)一步地，地面振動(dòng)特性試驗(yàn)包括模態(tài)試驗(yàn)和振動(dòng)試驗(yàn)，地面振動(dòng)特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)包括質(zhì)量特性數(shù)據(jù)、模態(tài)特性數(shù)據(jù)和振動(dòng)傳遞特性數(shù)據(jù)。
[0037]步驟3:根據(jù)步驟2建立飛輪多體動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行飛輪振動(dòng)特性仿真分析，并根據(jù)分析仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行被動(dòng)隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
[0038]具體地，被動(dòng)隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)具體包括隔振器的剛度設(shè)計(jì)、阻尼設(shè)計(jì)和布局設(shè)計(jì)。
[0039]步驟4:設(shè)計(jì)后的隔振系統(tǒng)與飛輪多體動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真分析驗(yàn)證隔振性能，若滿足指標(biāo)要求則進(jìn)行地面試驗(yàn)，若不滿足指標(biāo)要求則重新進(jìn)行隔振系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。
[0040]步驟5:通過仿真分析驗(yàn)證隔振系統(tǒng)的性能后進(jìn)行地面試驗(yàn)驗(yàn)證隔振系統(tǒng)的隔振性能，若地面試驗(yàn)結(jié)果表明被動(dòng)隔振系統(tǒng)滿足指標(biāo)要求，則整個(gè)設(shè)計(jì)流程結(jié)束，若不滿足指標(biāo)要求則重新進(jìn)行隔振系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，直至滿足指標(biāo)要求。
[0041]以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。
【權(quán)利要求】
1.一種衛(wèi)星飛輪被動(dòng)隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1:根據(jù)飛輪設(shè)計(jì)方案分析飛輪構(gòu)型，將飛輪支架結(jié)構(gòu)與飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)部件分開進(jìn)行單獨(dú)建模分析； 步驟2:綜合飛輪地面振動(dòng)特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)和飛輪運(yùn)動(dòng)控制策略，利用有限元理論和多體動(dòng)力學(xué)理論進(jìn)行飛輪動(dòng)力學(xué)建模并修正； 步驟3:根據(jù)步驟2建立飛輪動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行飛輪振動(dòng)特性仿真分析，并根據(jù)分析仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行被動(dòng)隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)； 步驟4:設(shè)計(jì)后的隔振系統(tǒng)與飛輪動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真分析驗(yàn)證隔振性能，若滿足指標(biāo)要求則進(jìn)行地面試驗(yàn)，若不滿足指標(biāo)要求則重新進(jìn)行隔振系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)； 步驟5:通過仿真分析驗(yàn)證隔振系統(tǒng)的性能后進(jìn)行地面試驗(yàn)驗(yàn)證隔振系統(tǒng)的隔振性能，若地面試驗(yàn)結(jié)果表明被動(dòng)隔振系統(tǒng)滿足指標(biāo)要求，則整個(gè)設(shè)計(jì)流程結(jié)束，若不滿足指標(biāo)要求則重新進(jìn)行隔振系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，直至滿足指標(biāo)要求。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的衛(wèi)星飛輪被動(dòng)隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟2包括: 步驟21:綜合飛輪支架地面振動(dòng)特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用有限元理論進(jìn)行飛輪支架結(jié)構(gòu)有限元模型建模并修正； 步驟22:綜合飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)部件地面振動(dòng)特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，利用有限元理論和多體動(dòng)力學(xué)理論建立轉(zhuǎn)動(dòng)部件的含控制模型的飛輪動(dòng)力學(xué)模型。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的衛(wèi)星飛輪被動(dòng)隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟21中通過Patran/Nastran軟件進(jìn)行飛輪支架結(jié)構(gòu)有限元模型建模；步驟22中通過Matlab/Simulink軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)部件控制系統(tǒng)的控制模型建模，并通過Adams軟件進(jìn)行飛輪動(dòng)力學(xué)模型建模。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的衛(wèi)星飛輪被動(dòng)隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述飛輪支架結(jié)構(gòu)有限元模型包括:飛輪支架與飛輪安裝面、飛輪支架主體和飛輪支架與星體安裝面，所述飛輪支架與飛輪安裝面、飛輪支架主體和飛輪支架與星體安裝面依次連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的衛(wèi)星飛輪被動(dòng)隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述控制模型采用經(jīng)典PID控制策略，通過調(diào)節(jié)Kp、1、Kd三個(gè)參數(shù)使系統(tǒng)獲得最優(yōu)控制效果。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的衛(wèi)星飛輪被動(dòng)隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述飛輪動(dòng)力學(xué)模型包括:控制系統(tǒng)Matlab/Simulink、飛輪支架結(jié)構(gòu)有限元模型和飛輪多體動(dòng)力學(xué)模型，所述控制系統(tǒng)Matlab/Simulink分別與所述飛輪支架結(jié)構(gòu)有限元模型和飛輪多體動(dòng)力學(xué)模型連接，且所述控制系統(tǒng)Matlab/Simulink與飛輪多體動(dòng)力學(xué)模型連接形成閉環(huán)控制回路。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的衛(wèi)星飛輪被動(dòng)隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述地面振動(dòng)特性試驗(yàn)包括模態(tài)試驗(yàn)和振動(dòng)試驗(yàn),所述地面振動(dòng)特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)包括質(zhì)量特性數(shù)據(jù)、模態(tài)特性數(shù)據(jù)和振動(dòng)傳遞特性數(shù)據(jù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的衛(wèi)星飛輪被動(dòng)隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述被動(dòng)隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括隔振器的剛度設(shè)計(jì)、阻尼設(shè)計(jì)和布局設(shè)計(jì)。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK103605834SQ201310533027
【公開日】2014年2月26日 申請(qǐng)日期:2013年10月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月31日
【發(fā)明者】沈海軍, 申軍烽, 蔣國偉, 陸國平, 鐘鳴, 虞自飛, 黃俊杰 申請(qǐng)人:上海衛(wèi)星工程研究所