空间绳网捕获过程碰撞动力学研究

发布时间：2017-05-24 12:12

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【摘要】：本学位论文对空间绳网捕获过程中柔性绳网碰撞动力学的建模方法和仿真计算问题进行研究。空间绳网系统是空间绳系系统研究领域的一个新的研究方向,它可以对非合作、数量庞大、外形不规则和具有自旋角速度的空间目标进行捕获,具有极广阔的应用前景。空间绳网具有柔性大、非线性强和数值计算困难等特点,因此对柔性绳网动力学和柔性绳网碰撞动力学建模是研究空间绳网捕获过程的难点。本文基于柔性多体系统动力学理论和碰撞动力学建模方法,对柔性绳网空间捕获过程中的柔性绳网碰撞问题进行了建模和数值仿真研究,主要内容包括:(1)本文介绍了空间绳网的应用背景和国内外关于空间绳系系统研究的发展现状和趋势,并且介绍了与柔性绳网动力学相关的柔性绳索动力学和柔性系统碰撞动力学相关的理论。(2)对空间绳网系统进行了总体设计,包括绳网的构形和折叠抛射方式,仿真结果说明可以采用此种方法。设计的绳网模型为绳网动力学建模和仿真计算提供了具体的研究对象。提出了一组空间绳网系统捕获的性能评价指标,包括瞬时碰撞力、捕获目标速度位移变化量和捕获目标自旋角速度,为评价绳网捕获过程提供了依据。(3)研究了柔性绳网动力学和柔性绳网碰撞动力学建模方法。分别基于集中质量法和绝对节点坐标法建立了绳索单元模型,并推导了绳网的动力学方程。基于非线性弹簧阻尼模型和库仑摩擦模型,推导了碰撞力和摩擦力的计算公式,并给出了碰撞检测的流程以及碰撞检测判据。(4)针对两种绳网动力学模型进行仿真对比分析,结果表明利用绝对节点坐标法建立的中心轴线柔索单元模型比利用集中质量法建立的绳索单元模型更准确,更适合用于大变形柔性绳网系统建模。(5)通过设计不同的仿真工况模拟不同的捕获碰撞情况,结合评价指标从捕获目标姿态、相对运动速度和网格大小三个方面对绳网捕获碰撞过程进行分析。仿真结果表明,捕获目标姿态、相对运动速度和网格大小三个方面均会对绳网捕获碰撞过程产生较大的影响,需要根据实际任务需求设计绳网捕获的策略。
【关键词】：柔性多体系统 绝对节点坐标法 非线性弹簧阻尼模型 碰撞 数值仿真
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V528;V414
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-22
• 1.1 研究背景与目的9-10
• 1.2 空间绳系系统发展现状与趋势10-15
• 1.2.1 空间绳系卫星系统研究现状10-12
• 1.2.2 空间绳网研究现状12-15
• 1.3 柔性绳网动力学研究15-20
• 1.3.1 柔性绳索动力学建模方法15-18
• 1.3.2 柔性系统碰撞动力学18-20
• 1.4 论文研究目标与研究内容20-22
• 第2章 空间绳网系统概述22-27
• 2.1 引言22
• 2.2 空间绳网捕获概念与特点22
• 2.3 空间绳网任务描述22-23
• 2.4 空间绳网系统总体设计23-25
• 2.4.1 绳网构型及材料23-24
• 2.4.2 绳网折叠方式24-25
• 2.4.3 绳网抛射方式25
• 2.5 空间绳网系统捕获性能评价指标25-26
• 2.6 本章小结26-27
• 第3章 空间绳网系统动力学建模27-40
• 3.1 引言27
• 3.2 柔性绳网动力学建模27-34
• 3.2.1 基于集中质量模型的绳索单元模型27-29
• 3.2.2 基于ANCF的柔索单元模型29-34
• 3.3 空间绳网碰撞动力学建模34-39
• 3.3.1 碰撞检测模型34-37
• 3.3.2 碰撞动力学模型37-39
• 3.4 本章小结39-40
• 第4章 捕获目标姿态对捕获过程的影响分析40-53
• 4.1 引言40
• 4.2 两种绳网模型仿真结果对比40-41
• 4.3 捕获目标姿态影响分析41-52
• 4.3.1 空间绳网参数和基本假设41-42
• 4.3.2 捕获目标姿态 1—初始点碰撞42-45
• 4.3.3 捕获目标姿态 2—初始线碰撞45-48
• 4.3.4 捕获目标姿态 3—初始面碰撞48-50
• 4.3.5 工况对比分析50-52
• 4.4 本章小结52-53
• 第5章 空间绳网形态对捕获过程的影响分析53-63
• 5.1 引言53
• 5.2 相对运动速度影响分析53-57
• 5.2.1 相对速度 3m/s53-56
• 5.2.2 工况对比分析56-57
• 5.3 网格大小影响分析57-61
• 5.3.1 网格边长 0.267m57-60
• 5.3.2 工况对比分析60-61
• 5.4 本章小结61-63
• 结论63-65
• 参考文献65-69
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文69-71
• 致谢71

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前6条

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中国博士学位论文全文数据库 前1条

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本文编号：390734