[发明专利]含摩擦边界的柔性航天器动力学建模方法

说明书

本发明公开了一种含摩擦边界的柔性航天器动力学建模方法，包括：构建含摩擦边界的柔性航天器能量泛函；模拟所述柔性航天器中的柔性结构的一般边界条件，并构造所述柔性航天器中的柔性结构的位移容许函数；根据所述含摩擦边界的柔性航天器能量泛函以及所述位移容许函数，求解所述柔性航天器的全局解析模态函数；根据所述柔性航天器的模态函数得到所述柔性航天器的低维解析刚柔耦合动力学模型并进行动力学特性分析。本发明解决了传统方法中未考虑边界间隙摩擦对航天器固有特性影响的缺陷的问题；方法适用性强，可应用于一般边界条件，并可以便利处理具有复杂形状柔性体的航天器；获得了低维解析动力学模型，便于控制律的设计。

技术领域

本发明涉及柔性航天器动力学建模技术领域，具体涉及一种含摩擦边界的柔性航天器动力学建模方法、电子设备及存储介质。

背景技术

随着航天技术的发展，航天器趋向于大型化、柔性化和轻质化。受运载包络和展开方式的限制，大型柔性航天器需采用可展开结构设计方式。一方面结构由于加工、装配、磨损等因素，可展开结构在展开锁定后铰链间会存在无法避免的间隙；另一方面，航天器在轨运行进出地球阴影区时会受到交变的热载荷，为了释放结构内部产生的热应力，在航天器结构设计时在结构铰链连接处会预留足够的间隙。两方面的因素致使航天器展开锁定后铰链间的间隙不可避免，而由众多铰链间隙导致的摩擦效应会对航天器的动力学特性造成较大的影响，从而影响航天器的姿态控制精度及有效载荷的指向精度。

当前在对含铰链间隙的柔性航天器动力学建模的研究中，针对由间隙引起的碰撞的研究较多，而对由间隙导致的摩擦效应的研究较少；现有的考虑间隙摩擦的航天器动力学建模中，通常将摩擦力当作力约束条件，作为外力施加到动力学方程中，很少研究摩擦力对航天器动力学固有特性的影响作用；当前含间隙摩擦的航天器动力学建模研究中，大多针对特定的边界条件及规则形状的柔性结构，而对于具有一般边界条件及复杂不规则形状柔性结构的航天器未有涉及；现有对含间隙摩擦的航天器动力学建模中，通常利用数值计算的方法，很少采用解析或半解析的方法，而解析或半解析方法更能充分揭示系统的动力学本质和规律，及便于进行控制律的设计；当前的研究中大多针对含间隙铰链连接处产生的摩擦作用，而对于具有摩擦边界的航天器动力学建模技术鲜有研究，边界处的摩擦作用大大增加了问题的难度。针对以上涉及的方面，目前的动力学建模技术并不能很好地解决这些问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含摩擦边界的柔性航天器动力学建模方法、电子设备及存储介质，以解决传统方法中未考虑边界间隙摩擦对航天器固有特性影响的缺陷的问题。

为了解决以上问题，本发明通过以下技术方案实现：

一种含摩擦边界的柔性航天器动力学建模方法，包括：步骤S1、构建含摩擦边界的柔性航天器能量泛函。步骤S2、模拟所述柔性航天器中的柔性结构的一般边界条件，并构造所述柔性航天器中的柔性结构的位移容许函数。步骤S3、根据所述含摩擦边界的柔性航天器能量泛函以及所述位移容许函数，求解所述含摩擦边界的柔性航天器的全局解析模态函数。步骤S4、根据所述柔性航天器的模态函数得到所述柔性航天器的低维解析刚柔耦合动力学模型并进行动力学特性分析。

优选地，所述步骤S1包括：所述含摩擦边界的柔性航天器能量泛函中的柔性航天器总的动能T为：

T＝T₁+T₂

式中，为所述柔性航天器中的所述柔性结构的动能；

为所述柔性航天器中的中心刚体的动能；