航天器非线性能量阱减振与能量采集一体化系统动力学设计

论文摘要

本文是对航天器动力学模型,包括整星系统和卫星飞轮系统动力学模型,非线性减振与能量采集问题的研究。整星系统以整星非线性减振缩比实验中提出的带有非线性能量阱（Nonlinear energy sink,NES）的两自由度整星耦合系统的等效模型作为研究对象,运用复化平均法分析了耦合系统动力学特性,验证了非线性能量阱整星减振实验结果。提出了一种利用非线性能量阱实现飞轮系统减振的方法,将NES引入到由飞轮和简支板组成的飞轮系统以实现振动控制,研究了动量轮系统被动减振方法。建立了有限元模型,并用等效模型动力学方程对结果进行了验证。在该系统中,外激励由飞轮径向微振动产生的若干离散正弦谐波叠加而成,采用伽辽金法对板的控制方程进行离散,采用复化平均方法得到解析解,得到了系统的稳态响应,分析了系统的时域响应、幅频响应,并用数值结果验证了解析解。为了系统地分析所设计的NES的动力学特性,讨论了不同NES参数下系统的动力学行为,通过选取特定的参数得到鞍结分岔和霍普夫分岔。此外,为实现飞轮系统非线性能量阱减振与能量采集一体化,研究了在飞轮系统中引入一种包含非线性能量阱和超磁致伸缩材料（Giant Magnetostrictive Material,GMM）能量采集器的多自由度动力学模型,该系统由微分代数方程组（Differential algebraic equations,DAEs）定义。采用解析方法复化平均法得到了系统的解析解,并通过与数值解对比,验证了解析结果的准确性。判断了GMM在系统中受到最大拉伸应力或最大压缩应力的大小,以确保超磁致伸缩材料采集器的正常工作。分析了系统能量转换关系,计算了系统的稳态响应,利用GMM的维拉里效应,得到了系统采集到的电能。分析了带有GMM的系统的非线性动力学特性,研究了系统的分岔行为。对于耦合的多自由度NES-GMM系统,讨论了系统的鞍节分岔。最后,通过改变NES立方刚度和阻尼等参数,对系统进一步参数讨论,分析了多自由度NES-GMM飞轮系统的减振效果和能量采集性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 课题来源
•   1.2 课题研究的目的和意义
•   1.3 国内外研究概况
•     1.3.1 卫星动量轮/反作用轮研究现状
•     1.3.2 被动式隔减振技术
•     1.3.3 非线性能量采集
•   1.4 论文的主要研究内容
• 第二章 整星减振缩比复化平均分析
•   2.1 前言
•   2.2 整星和非线性能量阱耦合系统简化模型
•     2.2.1 整星和非线性能量阱耦合系统简化模型
•     2.2.2 复化平均法分析求解耦合系统
•     2.2.3 稳态响应曲线数值验证
•     2.2.4 系统动力学特性分析
•   2.3 小结
• 第三章 飞轮系统非线性能量阱减振
•   3.1 前言
•   3.2 飞轮系统模型
•     3.2.1 飞轮系统有限元模型
•     3.2.2 系统的等效模型
•   3.3 近似解析和验证
•   3.4 分岔讨论
•   3.5 小结
• 第四章 飞轮系统能量采集
•   4.1 前言
•   4.2 系统的等效动力学模型
•   4.3 系统的等效动力学模型数值模拟
•   4.4 参数讨论
•   4.5 小结
• 第五章 结论与展望
•   5.1 结论
•   5.2 展望
• 参考文献
• 作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文
• 作者在攻读硕士学位期间所作的项目
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 孙耀辉

导师: 陈立群

关键词: 复化平均法,非线性能量阱,鞍结分岔,霍普夫分岔,能量采集

来源: 上海大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 非线性科学与系统科学,航空航天科学与工程

单位: 上海大学

基金: 国家自然科学基金(项目编号51775541和 11672188),辽宁省教育厅科研基金(编号L201703),上海市教委创新项目(项目No.2 017-01-07-00-09-E00019),非线性振动系统中的能量靶向转移分析及调控,国家自然科学基金面上项目(11572182),非线性能量阱整星减振与能量采集一体化理论与实验,国家自然科学基金面上项目(11772205)

分类号: N941.3;V416

DOI: 10.27300/d.cnki.gshau.2019.000358

总页数: 76

文件大小: 6566K

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