空间实验室的动力学建模与分析

空间实验室的动力学建模与分析

0单一激扰源的影响空间实验室是一个大型的刚柔结合结构。其中之一的重要功能是为材料加工和生命周期等研究提供温和的实验环境。然而,空间实验室在运行过程中,由于太阳帆板转动,电磁陀螺工作,机柜内风扇、磁带记录装置的振动、以及人员的活动,都会形成微振动激扰源,引发空间实验室的颤振(Jitter),对空间实验室的微重力环境造成影响,在一定频率范围内可能会破坏微重力环境,影响实验任务的完成质量。目前单一激扰源对空间实验室微重力环境造成的影响,国外进行了一些实验,得出了一些有用的结论。但这些实验是在单一激扰情况下进行的,不能全面反映微重力环境的变化。而且,进行这类实验耗资巨大、实验周期长、且具有一定的风险,不完全适合我国国情。本文在参数有关实验数据的基础上,利用多体系统动力学建模技术,结合有关戴人飞船获得的数据,采用计算机仿真技术,对多种激扰情况下空间实验室微重力环境进行了初步研究,为今后的隔振措施和结构优化奠定的基础。1实验研究与实验考察空间实验室可视为中心为刚性圆筒,附有两块展开的柔性太阳帆板,如图1所示。空间实验室为材料加工实验、药品以及生命科学实验提供了一个微重力环境。这些实验要求对不同频率范围内的微重力加速度许可值提出了要求。如图2所示。2振动源总结空间实验室的激扰大致可分为三类12内部实验室设备在运行时会发生变化激扰源包括机柜中散热风扇、磁带记录机、各种液气泵,光谱仪、监测器、遥感器,反作用动量轮等。它们工作时,都会产生激扰力、力矩。2．马来海的原因由于输出力矩波动、马达线圈绕组的不平衡、齿轮安装扭矩等因素,会引起帆板转动的不平衡,使帆板转动的速度不为恒值,即有加减速转动,因而会在太阳电池阵翼基板与实验室连接处产生激扰力矩。3实验室内部设备和设备工作时产生的激扰宇航员工作及运动时,施加力、力矩于机柜、舱壁,相当于对空间实验室施加了激扰力、力矩。实验室内部设备工作时产生的激扰,以及帆板转动时引起的激扰力矩均可单独在地面试验中测出。宇航员活动产生的激扰,需要进行模拟失重飞行试验或在轨实测。在得到以上基本数据和空间站基本参数后,便可建立动力学模型,并进行计算机仿真研究。3速度型的模态法空间实验室的帆板属于柔性体,中心体属于刚体,通常可以利用混合坐标法并结合有限元技术、模态分析与综合的方法,来建立其力学模型。选取如图3所示的坐标系,建立运动学方程,其中XXZ为惯性坐标,b1b2b3柔性体连体坐标系,微元体矢径如图→Rm=→R+→ρ+→f(1)R⃗m=R⃗+ρ⃗+f⃗(1)对(1)式求导,得微元质量的速度→vm=D→RmDt=D→RDt+d→ρdt+→ω×→ρ+d→fdt+→ω×→f=˙→R-→ρ×→ω+˙→f+→ω×→f(2)v⃗m=DR⃗mDt=DR⃗Dt+dρ⃗dt+ω⃗×ρ⃗+df⃗dt+ω⃗×f⃗=R⃗˙−ρ⃗×ω⃗+f⃗˙+ω⃗×f⃗(2)→ω——连体坐标系相对于惯性系的角速度假设缓慢转动和弹性位移是微小的,则→vm=˙→R-→ρ×→ω+˙→f(3)然后用模态展开方法,表述弹性变形→f=∑→φkqk→φk——是k个模态矩阵分量qk——第k个模态坐标此处φk为连续的函数形式,但在下一步求动能及势能的时候,用前面描述的离散形式的模态进行积分运算。其中动能,Τb=12∫v→vm⋅→vmdm(4)弹性体的应变势能用模态坐标的形式表述,得Ub=12qΤΩq(5)Ω=diag[ω21,ω22,ω2m]ωi,i=1……m——柔性体的第i阶频率求和可得整个系统的动能T,U。利用带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——全部外力对应的广义主动力λ——拉格朗日乘子C(q,t)=0——约束方程4机柜内部分加速度响应在空间实验室中,利用微重力环境进行材料加工、生命科学研究,这些研究设备均是以有效载荷形式搭载,通常安放于机柜内。所以,有必要对这些机柜内特定点的加速度响应进行分析,并与微重力加速度的许可值进行比较。将所有的激扰力作为广义力,施加于系统上,在本仿真中,预先进行实验,测得某些特定激扰的分布情况。4.1技术解决产品试验难仿真利用虚拟样机技术来完成,在计算机上通过CAD/CAM/CAE等技术把产品的数据集成到一个可视化环境中,实现对产品的设计和研究,研究者可完成实际中无法进行的试验。本研究借助于ADAMS(机械系统动力学仿真分析软件)建立了空间实验室的虚拟样机,然后乾地仿真试验。4.2空气/色谱质控制单元机柜内除了搭载的有效载荷之外,还安装有较多辅助设施。一般机柜中包括风扇、泵、循环水、气体流动、电子管线、数据记录仪、计算机磁盘、传感装置等。各种机柜的激扰形式基本类似。图4是机柜外形。图5是某种流体物理实验模块所用的机柜中两个主要设施的激扰源的频域分布情况,概述如下:1)空气热控制单元(ATCU)ATCU在机柜顶部有两个冷却风扇用于调节空气,还包括机柜内的一套密封装置,将机柜密封起来,机柜内热空气通过循环水热冷却交换系统。ATCU设计时采用了弹性隔离装置,以减少风扇在机柜中的振动。ATCU的振动是50Hz以下的主要振源。38Hz时的峰值是风扇的运转频率,风扇转速2300r/min;10Hz时是载荷隔振器的谐振频率。2)气体色谱设备包(GCIP)GCIP是一个支持科学实验的泵系统,包括三个燃烧室。这里泵是一种色谱仪器,是把流动相传送到包谱柱的装置。GCIP有三个相同的泵组成。只对一个泵进行了实验,并将结果乘以比例因子3,假定三个泵是同时运行的。图5是单独一个泵的情况。根据机柜实际布局将ATCU、GCIP的作用力简化作用到机柜的A、G两点,如图6。在机柜与空间实验室地板以及舱体之间安装有隔振设备,此处用弹簧阻尼器来模拟其作用。4.3材料的激扰建模在空间实验室运行时,太阳帆板的法线与太阳光射线的夹角要小于某一角度,以便接受太阳辐射,所以帆板会旋转。在这一过程中,由于输出力矩波动、马达线圈绕组的不平衡、齿轮安装扭矩等因素,会引起帆板转动的不平衡,使帆板转动的速度不为恒值,即有加减速转动,因而会在太阳电池阵翼基板与空间试验室推进舱的连接处产生激扰力矩。设某激扰力矩在频域内的变化如图7。这类激扰的幅值较大,频域分布小于4.2节中的激扰。帆板简化为规则矩形薄板,属于柔性体,利用有限元分析软件ANSYS对帆板进行有限元划分,将每块帆板划分为114个SHELL63单元,共169的节点。对其进行模态分析,通过分析求解,得到帆板有限元模型的前20阶自振频率以及模态。然后生成中性文件(MNF文件),导入ADAMS,用以建立刚柔混合模型。4.4航空车工况的短期有影响载人空间实验室可分为无人照料、短期有人照料、长期有人照料三种类型,本文研究的空间实验室属于短期有人照料型。在载有宇航员的情况下,需要考虑宇航员活动造成的影响。由于宇航员活动的随机性和不确定性,使这类激扰不同于前两种。对这类激扰的研究,需要分类进行。1操纵机柜的脚约束假设每个机柜均有一个工作位置,假设工作位置为一个点,宇航员在此位置施加力、力矩,来控制仪器。在操纵机柜时,宇航员双脚通过脚约束,固定在地板上,简化脚约束为两个点,每个机柜前有两个约束点,共八台机柜,十六个脚约束点。工作时,宇航员双脚通过脚约束,固定在地板上,操纵机柜。宇航员操纵机柜时,在工作位置产生力和力矩,同时也通过脚约束产生力和力矩。2双脚约束装置velcro在这种运动中,宇航员穿着一种特殊的鞋子,鞋底与地板有尼龙制粘褡裢(Velcro);同时,实验室内不同位置安有扶手及类似于①中用脚约束。通过这些装置,宇航员可实现小范围的移动。这些约束都用作用点来代替,宇航员移动时,假设在这些点上施加力、力矩。3u3000地面试验结果大范围漂移(soar),这种运动是指宇航员施加力于实验室上某一点,以获得反作用力,来推动本身向相反方向。这种运动可以获得较大范围的移动,如从实验室一端移动到另一端。然后根据以上三种运动,选取某一次典型运动,用以进行仿真,描述如下:宇航员A在0秒开始操纵一号机柜,对脚约束1-1、1-2起作用,作用力垂直于地板方向,大小为Fz=10sin(2πt),力距方向也垂直于地板,大小Tz=1sin(πt)时间延续到150s;第152s开始A从一号机柜移动到三号机柜,即通过粘褡裢或辅助运动约束小范围移动,第152s作用力于一号机柜上M7点,大小为10N,作用时间1s,方向指向实验室前端,第155s作用力到三号机柜上M9点,大小为10N,作用时间1s,指向实验室尾端;158s开始操纵三号机柜,地脚约束3-1,3-2起作用,作用力垂直于地板方向,大小为Fz=10sin(2πt),力距方向也垂直于地板,大小Fz=1sin(πt)时间延续到200s;另一名宇航员B从50s开始给一号机柜前端M2-1点一个70N的作用力,方向指向实验室前端,作用时间1s,产生大范围漂移,第70s漂移至柜到温室位置M2-2点,然后对该点产生50N,方向指向实验室后端,作用时间2s。第73sB开始操纵七号机柜,对脚约束7-1,7-2起作用,作用力垂直于地板方向,大小为Fz=10sin(2πt),力距方向也垂直于地板,大小Tz=1sin(πt)时间延续到300s。第300s后,两名宇航员暂时停止活动。上述约束以及作用力点如图8。这些力和力矩的大小以及持续时间,可由地面模拟试验来测定。该运动可通过ADAMS的仿真脚本(SimulationScript)来灵活控制。4.5激扰力幅值的计算对于机柜内设备激扰、太阳帆板(太阳电池阵)运动引起的激扰,可用一定频率内正弦函数叠加来模拟这类激扰,即F=nr∑i=1Aisin(2πfit+φi)(7)nr——所取的频率的数目Ai——第i个频率对应的激扰力幅值fi——第i个频率值φi——第i个相位角,随机产生其取值可根据图5、6而定。对于宇航员活动引起的激扰,根据模拟试验测量结果,并结合在某一时间段内,宇航员的可能运动情况,将激扰力、力矩施加到作用点上,即如4.4所述。4.6微重力状态下的热控制器和测量点空间实验室的某些机柜内的实验装置,是利用微重力环境来工作的。如用安装在某机柜中的金刚石薄膜气相生长装置及其支持系统,该设备用于研究微重力状态下金刚石的生长动力学特性和物理机制,备制出厚度均匀、结构完整、高品质取向的薄膜金刚石材料。可根据利用该设备上的特定位置,来度量该设备的附近的微重力变化情况。针对不同试验设备,可选取不同的特定位置。这些特定位置称为测量点M1、M2……。将各种激扰力作为广义力施加到系统上,便可得到测量点在一定时间内的加速度(微重力)响应。5实验结果方向和方向对某机柜上测量点M2、M3的微重力变化进行仿真研究,并与许可加速度进行比较,如图9、图10。还可根据实际情况仿真分析不同位置的微重力加速度变化情况。1Hz时出现峰值,是因为在假设宇航员操纵机柜时候,产生的激扰力频率为1Hz,而所测量的加速度方向与力方向相同。若用公式(7)产生的信号作为力的激扰可避免该情况的发生,但是考虑到计算简化的需要,此处暂时用简单正弦激扰模拟。通过仿真说明本实验室在各种复杂激扰下,在低频段尤其是<0.2Hz的情况下,微重力环境会受到影响。实验舱内不同位置,在相同的微振动激扰下,所受影响不同,距质心较近位置受影响小于距质心较远位置,这为今后结构合理布局提供了一定依据。仿真说明,只要较详细掌握有关激扰源的实验数据、基本参数,能够合理简化其作用位置,就能通过ADAMS软件进行微振动环境仿真。同时发现,无论激扰源形式如何、产生的响应如何,在绝大多数情况下,只有低频段微振动(<0.5Hz)会对空间实验室的许可工作环境(如微重力环境)造成影响,所以在结构优化中可考虑以提高结构基频为目标,同时考虑应使各个工作位置的响应幅值最小。6实验室的微重力环境仿真研究随着我国宇航事业的发展,航天器日趋复杂,空间实验室这类庞大而复杂的航天器也在发展规划之中,这类空间组合体将含有多个舱段,带有大型太阳阵、雷达天线,还带有液体燃料和生活用水储箱以及磁记录设备和动量交换等装置,是一