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XX卫星热控百叶窗系统设计及虚拟样机协同仿真

2020-11-23阅读(355)

XX卫星热控百叶窗系统设计及虚拟样机协同仿真

论文摘要

本文以专为XX卫星设计的热控百叶窗系统为研究对象，重点进行总体方案设计、机构动力学建模、仿真控制系统设计与分析、模态谐响应分析和关键部件模糊可靠性优化设计的研究。具体内容如下：首先根据XX卫星热控系统的任务要求，对目前国内外的众多热控方案进行了详细地分析和比较，并在充分论证的基础上，设计了具有布局紧凑、结构简单、重量轻、可靠性高、输出功率大和温度调节能力强等特点的拉杆联动+蜗杆传动式的电动百叶窗方案。根据热控百叶窗驱动组件——两相混合式步进电动机的本体结构推导出步进电机的数学模型。在MATLAB的SIMULINK模块中建立了步进电机的开环和闭环控制系统模型。引入了角度反馈、速度反馈在内的综合校正方法，为进一步的与机械系统联合仿真，确定最终控制系统实现方案提供了合理的模型。针对热控百叶窗机构特点，应用拉格朗日第二方程推导了该机构的动力学微分方程。分析了间隙、阻尼和弹性对百叶窗系统传动精度的影响，提出可行的方案来消除或者矫正这些影响，为虚拟样机构造提供了建模及参数设置依据。利用ADAMS软件建立了热控百叶窗系统的机械系统动力学模型。将机械系统仿真同控制仿真有机地连接起来，创造一个从虚拟建模到系统仿真、控制等操作性较强的实现体系，对结构主要性能参数进行了最优化设计。确立了在物理样机设计中需要考虑的要点，为进一步设计出既满足卫星的热控制需要又尺寸合理、适于安装在卫星上的热控百叶窗机构提供了依据。基于ANSYS软件建立了热控百叶窗系统有限元模型，对热控百叶窗系统的模态和谐响应进行了分析，为系统的整体实现方案提供重要设计参考。结合虚拟仿真及模态谐响应的分析结果，对驱动部分的关键部件一蜗杆传动机构提出了基于带精英策略的非支配排序的遗传算法（NSGA-Ⅱ）的多目标模糊可靠性优化方法。在目标解的多样性及收敛性之间达到了更好的平衡。并应用ANSYS／PDS工具进行可靠性优化设计验证，为零件结构的可靠性分析提供了新的分析方法。编制了热控百叶窗系统协同仿真分析软件，通过调用MATLAB／Simulink工具箱及虚拟样机软件ADAMS来完成实时修改设计参数、动态观察仿真过程、快速处理仿真结果，实现协同仿真功能。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 插图和附表清单
  • 第1章 绪论
  • 1.1 课题背景及意义
  • 1.2 热控总体技术研究进展和成果
  • 1.3 与本文工作相关的其他领域研究进展
  • 1.3.1 航天器热控制的发展概况
  • 1.3.2 虚拟样机技术研究现状
  • 1.4 本文的主要研究内容
  • 第2章 卫星热控百叶窗系统总体方案设计
  • 2.1 主要技术指标要求
  • 2.2 总体方案设计
  • 2.2.1 系统组成及工作原理
  • 2.2.2 联动机构的方案选择
  • 2.2.3 驱动机构的方案选择
  • 2.2.4 驱动电机的选择
  • 2.3 本章小结
  • 第3章 热控百叶窗系统控制仿真模型
  • 3.1 建立步进电机数学模型
  • 3.1.1 步进电机建模原理
  • 3.1.2 静态参数和基本变量说明
  • 3.2 步进电机动态方程
  • 3.2.1 dq坐标系下的定子电压方程
  • 3.2.2 dq坐标系下的转矩方程
  • 3.3 步进电机的仿真模型
  • 3.4 开环/闭环控制仿真
  • 3.4.1 开环控制模型
  • 3.4.2 闭环控制模型
  • 3.5 仿真结果分析
  • 3.6 本章小结
  • 第4章 热控百叶窗动力学建模
  • 4.1 蜗轮蜗杆传动系统的刚体动力学模型
  • 4.1.1 转动阻力的计算
  • 4.1.2 整个系统的等效转动惯量
  • 4.1.3 粘性摩擦系数
  • 4.2 热控百叶窗本体的动力学建模
  • 4.2.1 蜗轮的驱动力
  • 4.2.2 转动阻力的计算
  • 4.2.3 整个系统的等效力矩
  • 4.2.4 粘性摩擦系数
  • 4.3 热控百叶窗系统的动力学模型
  • 4.4 本章小结
  • 第5章 热控百叶窗系统虚拟样机协同仿真
  • 5.1 基于 ADAMS的虚拟模型的建立
  • 5.2 传动间隙的设置及仿真验证
  • 5.3 叶片之间干涉问题的仿真
  • 5.3.1 干涉时间和位置的确定
  • 5.3.2 仿真90度碰撞力情况
  • 5.4 与控制系统协同仿真
  • 5.4.1 开环协同仿真
  • 5.4.2 闭环协同仿真
  • 5.4.3 协同仿真结果分析
  • 5.4.4 闭环反馈方案设计
  • 5.5 本章小结
  • 第6章 热控百叶窗模态及谐响应分析
  • 6.1 驱动机构模态分析
  • 6.1.1 有限元模型的建立
  • 6.1.2 驱动部分计算结果
  • 6.2 百叶窗主体全开状态的模态分析
  • 6.3 百叶窗总体的模态分析
  • 6.4 百叶窗机构谐响应分析
  • 6.4.1 模型的建立
  • 6.4.2 百叶窗总体谐响应分析结果
  • 6.4.3 驱动组件谐响应分析结果
  • 6.4.4 叶片强度校核
  • 6.5 本章小结
  • 第7章 热控百叶窗关键部件多目标模糊可靠性优化
  • 7.1 机械模糊可靠性的概述
  • 7.2 机械模糊可靠性优化设计
  • 7.3 蜗杆传动多目标模糊可靠性优化
  • 7.3.1 优化变量的选取
  • 7.3.2 模糊约束的非模糊处理
  • 7.3.3 基于 NSGA-II多目标模糊可靠性的优化
  • 7.3.4 基于 ANSYS的可靠性设计验证
  • 7.4 本章小结
  • 第8章 协同仿真分析软件的开发
  • 8.1 协同仿真软件功能
  • 8.2 软件界面简介
  • 8.2.1 主界面
  • 8.2.2 参数设置界面
  • 8.2.3 仿真运行
  • 8.3 本章小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 博士生期间发表的学术论文、专著和重要科研成果
  • 在站期间发表的论文和论著
  • 在站期间获得的科研基金及承担的其它课题
  • 在站期间承担教学和工作情况
  • 致谢
  • 个人简历
  • 永久通信地址

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