本技术属于航天航空技术领域,涉及一种空间可展天线系统动力学建模方法,包括如下步骤:利用有限元仿真软件建立空间可展天线有限元模型;修正线性子结构和非线性铰链;修正完成后,导出刚度、质量矩阵;对线性子结构进行第一次坐标变换,完成线性子结构的降阶;再进行第二次坐标变换,融合对接各线性子结构得到整体结构运动学方程;连接修正后的线性子结构和非线性铰链,并分析动力学响应,通过连接界面处恢复力与相对位移的数据,构建输入‑输出映射代理模型,将整体结构运动学方程与代理模型进行融合,得到融合动力学模型;本发明能快速预测动力学响应,节省计算资源,提高分析效率。
背景技术
航空航天器是人类扩展自身活动范围的主要工具之一,一个多世纪以来其设计制造水平发展迅速,应用领域不断扩展。为适应复杂多样的任务环境,航空航天器结构日趋大型化、复杂化、精细化和智能化,对工程结构的安全性、可靠性、稳定性等均提出了极高要求。在进行航空航天器结构的分析和设计时,必须考虑结构的动力学特性。
随着大容量计算机和有限元软件的迅猛发展,有限元仿真逐渐成为解决结构动力学问题的高效计算方法之一,并且已广泛应用于航空航天、机械等领域。然而,对于含非线性连接部件的大型复杂系统,如大型空间固面可展天线,其具有空间尺寸大、连接复杂、动力学非线性强的特点,结构内含有展开锁紧机构、压紧释放装置、驱动机构等复杂连接部件,仅利用简化假设的动力学建模方法无法满足可展天线结构力学性能评估。
一方面,若采用线性化近似建模,则会忽略固面可展天线结构中非线性单元部件的力学特性,进而影响整体模型的精度,产生较大误差;若对整体系统进行高精度建模,对于非线性问题需要迭代求解,十分耗时,无法对结构进行快速响应预测。另一方面,有限元模型会因为受建模误差,如边界条件的不精确假定、材料模型参数的不确定性、网格划分的尺寸和结构静动力测试结果误差等因素影响,与真实结构存在一定程度的差异,导致有限元法不能精确预测真实结构的动力特性。
子结构方法是为分析大型复杂系统的力学特性而发展出来的,是一种分而治之的思想,子结构法中的自由界面模态综合法在处理局部非线性动力学问题上引起了很多学者的关注,模态综合法通过将复杂系统从物理空间转换至模态空间进行求解,进而实现系统的降阶。首先将难以或无法直接求解的复杂系统分解为若干易于分析的子系统,然后通过一定方法将各子系统力学特性进行综合得到完整系统的力学特性。借助子结构方法的思想,可将含非线性连接的固面可展天线系统划分成若干线性子结构与非线性子结构。
对于非线性子结构,传统非线性系统的辨识往往比较困难,数据驱动代理模型方法通过处理和分析非线性连接单元的动态数据,捕获输入-输出数据中非线性的物理关系,进而代替传统的机理进行建模。代理模型成功建立后,只需得到非线性连接位置的响应即可获得非线性恢复力,可有效避免传统方法重复繁琐的识别过程。
有限元模型修正技术大多是通过结构动力响应数据,包括频率、频响函数、位移等,对模型的刚度、质量、边界等参数进行修正,进而使有限元模型的动力特性尽最大可能地接近真实结构的实测动力特性,修正后的模型可以用于结构响应分析、结构损伤识别、结构健康监测和安全评估、结构优化设计。
总之,针对传统有限元法对含有空间固面可展天线系统动力学响应分析时,非线性简化方法精度低、全阶有限元方法计算量大、计算效率低、模型与真实结构存在偏差的问题,亟需一种新的空间固面可展天线动力学响应快速预测方法,关键在于构建一种能够快速响应的空间可展天线系统动力学模型。
实现思路