空間實(shí)驗(yàn)室的動(dòng)力學(xué)建模與分析

空間實(shí)驗(yàn)室的動(dòng)力學(xué)建模與分析

0單一激擾源的影響空間實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)大型的剛?cè)峤Y(jié)合結(jié)構(gòu)。其中之一的重要功能是為材料加工和生命周期等研究提供溫和的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。然而,空間實(shí)驗(yàn)室在運(yùn)行過程中,由于太陽帆板轉(zhuǎn)動(dòng),電磁陀螺工作,機(jī)柜內(nèi)風(fēng)扇、磁帶記錄裝置的振動(dòng)、以及人員的活動(dòng),都會(huì)形成微振動(dòng)激擾源,引發(fā)空間實(shí)驗(yàn)室的顫振(Jitter),對空間實(shí)驗(yàn)室的微重力環(huán)境造成影響,在一定頻率范圍內(nèi)可能會(huì)破壞微重力環(huán)境,影響實(shí)驗(yàn)任務(wù)的完成質(zhì)量。目前單一激擾源對空間實(shí)驗(yàn)室微重力環(huán)境造成的影響,國外進(jìn)行了一些實(shí)驗(yàn),得出了一些有用的結(jié)論。但這些實(shí)驗(yàn)是在單一激擾情況下進(jìn)行的,不能全面反映微重力環(huán)境的變化。而且,進(jìn)行這類實(shí)驗(yàn)耗資巨大、實(shí)驗(yàn)周期長、且具有一定的風(fēng)險(xiǎn),不完全適合我國國情。本文在參數(shù)有關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,利用多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模技術(shù),結(jié)合有關(guān)戴人飛船獲得的數(shù)據(jù),采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù),對多種激擾情況下空間實(shí)驗(yàn)室微重力環(huán)境進(jìn)行了初步研究,為今后的隔振措施和結(jié)構(gòu)優(yōu)化奠定的基礎(chǔ)。1實(shí)驗(yàn)研究與實(shí)驗(yàn)考察空間實(shí)驗(yàn)室可視為中心為剛性圓筒,附有兩塊展開的柔性太陽帆板,如圖1所示?？臻g實(shí)驗(yàn)室為材料加工實(shí)驗(yàn)、藥品以及生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)提供了一個(gè)微重力環(huán)境。這些實(shí)驗(yàn)要求對不同頻率范圍內(nèi)的微重力加速度許可值提出了要求。如圖2所示。2振動(dòng)源總結(jié)空間實(shí)驗(yàn)室的激擾大致可分為三類12內(nèi)部實(shí)驗(yàn)室設(shè)備在運(yùn)行時(shí)會(huì)發(fā)生變化激擾源包括機(jī)柜中散熱風(fēng)扇、磁帶記錄機(jī)、各種液氣泵,光譜儀、監(jiān)測器、遙感器,反作用動(dòng)量輪等。它們工作時(shí),都會(huì)產(chǎn)生激擾力、力矩。2．馬來海的原因由于輸出力矩波動(dòng)、馬達(dá)線圈繞組的不平衡、齒輪安裝扭矩等因素,會(huì)引起帆板轉(zhuǎn)動(dòng)的不平衡,使帆板轉(zhuǎn)動(dòng)的速度不為恒值,即有加減速轉(zhuǎn)動(dòng),因而會(huì)在太陽電池陣翼基板與實(shí)驗(yàn)室連接處產(chǎn)生激擾力矩。3實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部設(shè)備和設(shè)備工作時(shí)產(chǎn)生的激擾宇航員工作及運(yùn)動(dòng)時(shí),施加力、力矩于機(jī)柜、艙壁,相當(dāng)于對空間實(shí)驗(yàn)室施加了激擾力、力矩。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部設(shè)備工作時(shí)產(chǎn)生的激擾,以及帆板轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)引起的激擾力矩均可單獨(dú)在地面試驗(yàn)中測出。宇航員活動(dòng)產(chǎn)生的激擾,需要進(jìn)行模擬失重飛行試驗(yàn)或在軌實(shí)測。在得到以上基本數(shù)據(jù)和空間站基本參數(shù)后,便可建立動(dòng)力學(xué)模型,并進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真研究。3速度型的模態(tài)法空間實(shí)驗(yàn)室的帆板屬于柔性體,中心體屬于剛體,通?？梢岳没旌献鴺?biāo)法并結(jié)合有限元技術(shù)、模態(tài)分析與綜合的方法,來建立其力學(xué)模型。選取如圖3所示的坐標(biāo)系,建立運(yùn)動(dòng)學(xué)方程,其中XXZ為慣性坐標(biāo),b1b2b3柔性體連體坐標(biāo)系,微元體矢徑如圖→Rm=→R+→ρ+→f(1)R?m=R?+ρ?+f?(1)對(1)式求導(dǎo),得微元質(zhì)量的速度→vm=D→RmDt=D→RDt+d→ρdt+→ω×→ρ+d→fdt+→ω×→f=˙→R-→ρ×→ω+˙→f+→ω×→f(2)v?m=DR?mDt=DR?Dt+dρ?dt+ω?×ρ?+df?dt+ω?×f?=R?˙?ρ?×ω?+f?˙+ω?×f?(2)→ω——連體坐標(biāo)系相對于慣性系的角速度假設(shè)緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)和彈性位移是微小的,則→vm=˙→R-→ρ×→ω+˙→f(3)然后用模態(tài)展開方法,表述彈性變形→f=∑→φkqk→φk——是k個(gè)模態(tài)矩陣分量qk——第k個(gè)模態(tài)坐標(biāo)此處φk為連續(xù)的函數(shù)形式,但在下一步求動(dòng)能及勢能的時(shí)候,用前面描述的離散形式的模態(tài)進(jìn)行積分運(yùn)算。其中動(dòng)能,Τb=12∫v→vm?→vmdm(4)彈性體的應(yīng)變勢能用模態(tài)坐標(biāo)的形式表述,得Ub=12qΤΩq(5)Ω=diag[ω21,ω22,ω2m]ωi,i=1……m——柔性體的第i階頻率求和可得整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)能T,U。利用帶乘子的拉格朗日方程,可得ddt(?Τ?˙q)-?Τ?q+?U?q+CΤqλ=QF(6)C(q,t)=0QF——全部外力對應(yīng)的廣義主動(dòng)力λ——拉格朗日乘子C(q,t)=0——約束方程4機(jī)柜內(nèi)部分加速度響應(yīng)在空間實(shí)驗(yàn)室中,利用微重力環(huán)境進(jìn)行材料加工、生命科學(xué)研究,這些研究設(shè)備均是以有效載荷形式搭載,通常安放于機(jī)柜內(nèi)。所以,有必要對這些機(jī)柜內(nèi)特定點(diǎn)的加速度響應(yīng)進(jìn)行分析,并與微重力加速度的許可值進(jìn)行比較。將所有的激擾力作為廣義力,施加于系統(tǒng)上,在本仿真中,預(yù)先進(jìn)行實(shí)驗(yàn),測得某些特定激擾的分布情況。4.1技術(shù)解決產(chǎn)品試驗(yàn)難仿真利用虛擬樣機(jī)技術(shù)來完成,在計(jì)算機(jī)上通過CAD/CAM/CAE等技術(shù)把產(chǎn)品的數(shù)據(jù)集成到一個(gè)可視化環(huán)境中,實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和研究,研究者可完成實(shí)際中無法進(jìn)行的試驗(yàn)。本研究借助于ADAMS(機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件)建立了空間實(shí)驗(yàn)室的虛擬樣機(jī),然后乾地仿真試驗(yàn)。4.2空氣/色譜質(zhì)控制單元機(jī)柜內(nèi)除了搭載的有效載荷之外,還安裝有較多輔助設(shè)施。一般機(jī)柜中包括風(fēng)扇、泵、循環(huán)水、氣體流動(dòng)、電子管線、數(shù)據(jù)記錄儀、計(jì)算機(jī)磁盤、傳感裝置等。各種機(jī)柜的激擾形式基本類似。圖4是機(jī)柜外形。圖5是某種流體物理實(shí)驗(yàn)?zāi)K所用的機(jī)柜中兩個(gè)主要設(shè)施的激擾源的頻域分布情況,概述如下:1)空氣熱控制單元(ATCU)ATCU在機(jī)柜頂部有兩個(gè)冷卻風(fēng)扇用于調(diào)節(jié)空氣,還包括機(jī)柜內(nèi)的一套密封裝置,將機(jī)柜密封起來,機(jī)柜內(nèi)熱空氣通過循環(huán)水熱冷卻交換系統(tǒng)。ATCU設(shè)計(jì)時(shí)采用了彈性隔離裝置,以減少風(fēng)扇在機(jī)柜中的振動(dòng)。ATCU的振動(dòng)是50Hz以下的主要振源。38Hz時(shí)的峰值是風(fēng)扇的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率,風(fēng)扇轉(zhuǎn)速2300r/min;10Hz時(shí)是載荷隔振器的諧振頻率。2)氣體色譜設(shè)備包(GCIP)GCIP是一個(gè)支持科學(xué)實(shí)驗(yàn)的泵系統(tǒng),包括三個(gè)燃燒室。這里泵是一種色譜儀器,是把流動(dòng)相傳送到包譜柱的裝置。GCIP有三個(gè)相同的泵組成。只對一個(gè)泵進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),并將結(jié)果乘以比例因子3,假定三個(gè)泵是同時(shí)運(yùn)行的。圖5是單獨(dú)一個(gè)泵的情況。根據(jù)機(jī)柜實(shí)際布局將ATCU、GCIP的作用力簡化作用到機(jī)柜的A、G兩點(diǎn),如圖6。在機(jī)柜與空間實(shí)驗(yàn)室地板以及艙體之間安裝有隔振設(shè)備,此處用彈簧阻尼器來模擬其作用。4.3材料的激擾建模在空間實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行時(shí),太陽帆板的法線與太陽光射線的夾角要小于某一角度,以便接受太陽輻射,所以帆板會(huì)旋轉(zhuǎn)。在這一過程中,由于輸出力矩波動(dòng)、馬達(dá)線圈繞組的不平衡、齒輪安裝扭矩等因素,會(huì)引起帆板轉(zhuǎn)動(dòng)的不平衡,使帆板轉(zhuǎn)動(dòng)的速度不為恒值,即有加減速轉(zhuǎn)動(dòng),因而會(huì)在太陽電池陣翼基板與空間試驗(yàn)室推進(jìn)艙的連接處產(chǎn)生激擾力矩。設(shè)某激擾力矩在頻域內(nèi)的變化如圖7。這類激擾的幅值較大,頻域分布小于4.2節(jié)中的激擾。帆板簡化為規(guī)則矩形薄板,屬于柔性體,利用有限元分析軟件ANSYS對帆板進(jìn)行有限元?jiǎng)澐?將每塊帆板劃分為114個(gè)SHELL63單元,共169的節(jié)點(diǎn)。對其進(jìn)行模態(tài)分析,通過分析求解,得到帆板有限元模型的前20階自振頻率以及模態(tài)。然后生成中性文件(MNF文件),導(dǎo)入ADAMS,用以建立剛?cè)峄旌夏Ｐ汀?.4航空車工況的短期有影響載人空間實(shí)驗(yàn)室可分為無人照料、短期有人照料、長期有人照料三種類型,本文研究的空間實(shí)驗(yàn)室屬于短期有人照料型。在載有宇航員的情況下,需要考慮宇航員活動(dòng)造成的影響。由于宇航員活動(dòng)的隨機(jī)性和不確定性,使這類激擾不同于前兩種。對這類激擾的研究,需要分類進(jìn)行。1操縱機(jī)柜的腳約束假設(shè)每個(gè)機(jī)柜均有一個(gè)工作位置,假設(shè)工作位置為一個(gè)點(diǎn),宇航員在此位置施加力、力矩,來控制儀器。在操縱機(jī)柜時(shí),宇航員雙腳通過腳約束,固定在地板上,簡化腳約束為兩個(gè)點(diǎn),每個(gè)機(jī)柜前有兩個(gè)約束點(diǎn),共八臺機(jī)柜,十六個(gè)腳約束點(diǎn)。工作時(shí),宇航員雙腳通過腳約束,固定在地板上,操縱機(jī)柜。宇航員操縱機(jī)柜時(shí),在工作位置產(chǎn)生力和力矩,同時(shí)也通過腳約束產(chǎn)生力和力矩。2雙腳約束裝置velcro在這種運(yùn)動(dòng)中,宇航員穿著一種特殊的鞋子,鞋底與地板有尼龍制粘褡褳(Velcro);同時(shí),實(shí)驗(yàn)室內(nèi)不同位置安有扶手及類似于①中用腳約束。通過這些裝置,宇航員可實(shí)現(xiàn)小范圍的移動(dòng)。這些約束都用作用點(diǎn)來代替,宇航員移動(dòng)時(shí),假設(shè)在這些點(diǎn)上施加力、力矩。3u3000地面試驗(yàn)結(jié)果大范圍漂移(soar),這種運(yùn)動(dòng)是指宇航員施加力于實(shí)驗(yàn)室上某一點(diǎn),以獲得反作用力,來推動(dòng)本身向相反方向。這種運(yùn)動(dòng)可以獲得較大范圍的移動(dòng),如從實(shí)驗(yàn)室一端移動(dòng)到另一端。然后根據(jù)以上三種運(yùn)動(dòng),選取某一次典型運(yùn)動(dòng),用以進(jìn)行仿真,描述如下:宇航員A在0秒開始操縱一號機(jī)柜,對腳約束1-1、1-2起作用,作用力垂直于地板方向,大小為Fz=10sin(2πt),力距方向也垂直于地板,大小Tz=1sin(πt)時(shí)間延續(xù)到150s;第152s開始A從一號機(jī)柜移動(dòng)到三號機(jī)柜,即通過粘褡褳或輔助運(yùn)動(dòng)約束小范圍移動(dòng),第152s作用力于一號機(jī)柜上M7點(diǎn),大小為10N,作用時(shí)間1s,方向指向?qū)嶒?yàn)室前端,第155s作用力到三號機(jī)柜上M9點(diǎn),大小為10N,作用時(shí)間1s,指向?qū)嶒?yàn)室尾端;158s開始操縱三號機(jī)柜,地腳約束3-1,3-2起作用,作用力垂直于地板方向,大小為Fz=10sin(2πt),力距方向也垂直于地板,大小Fz=1sin(πt)時(shí)間延續(xù)到200s;另一名宇航員B從50s開始給一號機(jī)柜前端M2-1點(diǎn)一個(gè)70N的作用力,方向指向?qū)嶒?yàn)室前端,作用時(shí)間1s,產(chǎn)生大范圍漂移,第70s漂移至柜到溫室位置M2-2點(diǎn),然后對該點(diǎn)產(chǎn)生50N,方向指向?qū)嶒?yàn)室后端,作用時(shí)間2s。第73sB開始操縱七號機(jī)柜,對腳約束7-1,7-2起作用,作用力垂直于地板方向,大小為Fz=10sin(2πt),力距方向也垂直于地板,大小Tz=1sin(πt)時(shí)間延續(xù)到300s。第300s后,兩名宇航員暫時(shí)停止活動(dòng)。上述約束以及作用力點(diǎn)如圖8。這些力和力矩的大小以及持續(xù)時(shí)間,可由地面模擬試驗(yàn)來測定。該運(yùn)動(dòng)可通過ADAMS的仿真腳本(SimulationScript)來靈活控制。4.5激擾力幅值的計(jì)算對于機(jī)柜內(nèi)設(shè)備激擾、太陽帆板(太陽電池陣)運(yùn)動(dòng)引起的激擾,可用一定頻率內(nèi)正弦函數(shù)疊加來模擬這類激擾,即F=nr∑i=1Aisin(2πfit+φi)(7)nr——所取的頻率的數(shù)目Ai——第i個(gè)頻率對應(yīng)的激擾力幅值fi——第i個(gè)頻率值φi——第i個(gè)相位角,隨機(jī)產(chǎn)生其取值可根據(jù)圖5、6而定。對于宇航員活動(dòng)引起的激擾,根據(jù)模擬試驗(yàn)測量結(jié)果,并結(jié)合在某一時(shí)間段內(nèi),宇航員的可能運(yùn)動(dòng)情況,將激擾力、力矩施加到作用點(diǎn)上,即如4.4所述。4.6微重力狀態(tài)下的熱控制器和測量點(diǎn)空間實(shí)驗(yàn)室的某些機(jī)柜內(nèi)的實(shí)驗(yàn)裝置,是利用微重力環(huán)境來工作的。如用安裝在某機(jī)柜中的金剛石薄膜氣相生長裝置及其支持系統(tǒng),該設(shè)備用于研究微重力狀態(tài)下金剛石的生長動(dòng)力學(xué)特性和物理機(jī)制,備制出厚度均勻、結(jié)構(gòu)完整、高品質(zhì)取向的薄膜金剛石材料?？筛鶕?jù)利用該設(shè)備上的特定位置,來度量該設(shè)備的附近的微重力變化情況。針對不同試驗(yàn)設(shè)備,可選取不同的特定位置。這些特定位置稱為測量點(diǎn)M1、M2……。將各種激擾力作為廣義力施加到系統(tǒng)上,便可得到測量點(diǎn)在一定時(shí)間內(nèi)的加速度(微重力)響應(yīng)。5實(shí)驗(yàn)結(jié)果方向和方向?qū)δ硻C(jī)柜上測量點(diǎn)M2、M3的微重力變化進(jìn)行仿真研究,并與許可加速度進(jìn)行比較,如圖9、圖10。還可根據(jù)實(shí)際情況仿真分析不同位置的微重力加速度變化情況。1Hz時(shí)出現(xiàn)峰值,是因?yàn)樵诩僭O(shè)宇航員操縱機(jī)柜時(shí)候,產(chǎn)生的激擾力頻率為1Hz,而所測量的加速度方向與力方向相同。若用公式(7)產(chǎn)生的信號作為力的激擾可避免該情況的發(fā)生,但是考慮到計(jì)算簡化的需要,此處暫時(shí)用簡單正弦激擾模擬。通過仿真說明本實(shí)驗(yàn)室在各種復(fù)雜激擾下,在低頻段尤其是<0.2Hz的情況下,微重力環(huán)境會(huì)受到影響。實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)不同位置,在相同的微振動(dòng)激擾下,所受影響不同,距質(zhì)心較近位置受影響小于距質(zhì)心較遠(yuǎn)位置,這為今后結(jié)構(gòu)合理布局提供了一定依據(jù)。仿真說明,只要較詳細(xì)掌握有關(guān)激擾源的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、基本參數(shù),能夠合理簡化其作用位置,就能通過ADAMS軟件進(jìn)行微振動(dòng)環(huán)境仿真。同時(shí)發(fā)現(xiàn),無論激擾源形式如何、產(chǎn)生的響應(yīng)如何,在絕大多數(shù)情況下,只有低頻段微振動(dòng)(<0.5Hz)會(huì)對空間實(shí)驗(yàn)室的許可工作環(huán)境(如微重力環(huán)境)造成影響,所以在結(jié)構(gòu)優(yōu)化中可考慮以提高結(jié)構(gòu)基頻為目標(biāo),同時(shí)考慮應(yīng)使各個(gè)工作位置的響應(yīng)幅值最小。6實(shí)驗(yàn)室的微重力環(huán)境仿真研究隨著我國宇航事業(yè)的發(fā)展,航天器日趨復(fù)雜,空間實(shí)驗(yàn)室這類龐大而復(fù)雜的航天器也在發(fā)展規(guī)劃之中,這類空間組合體將含有多個(gè)艙段,帶有大型太陽陣、雷達(dá)天線,還帶有液體燃料和生活用水儲箱以及磁記錄設(shè)備和動(dòng)量交換等裝置,是一