获取航天器中柔性薄膜反射镜的飞行载荷设计方法技术

本发明专利技术提供了一种获取航天器中柔性薄膜反射镜的飞行载荷设计方法，涉及航天器的柔性薄膜反射镜技术领域。本发明专利技术以连接于航天器本体上的大型的柔性薄膜反射镜为研究对象，通过考虑其预紧张力的非线性因素建立动力学模型，然后输入参数分析进行动力学性能影响权重分析，提取出影响柔性薄膜反射镜动力学性能的关键因素，通过调整关键因素获取理想的频率，进一步建立刚体‑柔性体耦合动力学模型。将刚体‑柔性体耦合动力学模型置于不同在轨工况进行动力学分析，解决柔性薄膜反射镜在不同边界条件下各个界面的载荷设计问题，确保载荷设计的完整性，进而保证柔性薄膜反射镜设计的充分有效性。

【技术实现步骤摘要】
获取航天器中柔性薄膜反射镜的飞行载荷设计方法
本专利技术涉及航天器的柔性薄膜反射镜
，尤其涉及一种获取航天器中柔性薄膜反射镜的载荷设计的方法。
技术介绍
大型柔性薄膜反射镜在航天器抵达月球轨道后展开，通过反射太阳光实现对月球极地月坑永久阴影区的照明，与光学相机配合实现对月坑的科学探测。柔性薄膜反射镜的中心通过旋转机构或其它张紧机构连接在航天器中，张紧机构控制柔性薄膜反射镜的展开和收起，其中，展开时张紧机构对柔性薄膜反射镜施加预紧张力。航天器在月球轨道可能实施一系列的在轨动作，如轨控(主发动机开机、轨道机动等)、舱段分离(主、被动目标分离等)、交会对接(追踪飞行器、目标飞行器)等在轨动作，处于展开状态的薄膜反射镜在上述过程中需具备较强的承载能力，以确保薄膜反射镜不会出现永久性的物理变形或损伤，因此薄膜反射镜的载荷设计变得非常重要，那么如何获取薄膜反射镜的载荷设计条件成为亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种获取航天器中柔性薄膜反射镜的飞行载荷设计方法，为设计柔性薄膜反射镜及其与航天器本体的连接关系提供载荷设计条件。为解决上述问题，本专利技术的技术方案是：获取航天器中柔性薄膜反射镜的飞行载荷设计方法，包括以下步骤：S1：建立柔性薄膜反射镜的有限元模型，并对膜面与杆件间的界面进行应力导入，使所述膜面张紧；S2：对S1中建立的柔性薄膜反射镜的有限元模型参数化，分析不同参数对柔性薄膜反射镜力学性能的影响权重，并依据该分析结果调整柔性薄膜反射镜的频率；S3：将S2中得到的频率与航天器的控制系统的要求进行对比，若所述频率满足要求，则在所述柔性薄膜反射镜的有限元模型的基础上建立刚体-柔性体耦合动力学模型；否则则返回S1修正相关参数后重新开始；S4：将S3中建立的刚体-柔性体耦合动力学模型进行在轨工况载荷分析，获得柔性薄膜反射镜的载荷设计条件。进一步的，S1中所述的应力导入指：在所述膜面与支撑杆件之间建立间隙单元模型，通过向所述间隙单元施加张紧载荷使膜面张紧。进一步的，S2中所述的参数化指对所述柔性薄膜反射镜的有限元模型赋予参数，该参数包括材料性能参数、薄膜厚度参数以及所述应力导入中对膜面施加的载荷。进一步的，S2中依据对所述影响权重的分析结果，获取模态有效因子；S3中通过所述模态有效因子，对柔性薄膜反射镜的主要频率截断，并将柔性薄膜反射镜模型从物理坐标系转换成模态坐标系；所述的刚体-柔性体耦合动力学模型建立在模态坐标系下的柔性薄膜反射镜的基础上。进一步的，对柔性薄膜反射镜的主要频率截断时，截断至主要模态的3-5倍。进一步的，S4中所述的在轨工况包括轨控工况、舱段分离工况以及交会对接工况。进一步的，S4中通过对所述在轨工况进行载荷分析，获取柔性薄膜反射镜上不同区域质心的过载系数，并对多个界面载荷分解，从而获得所述载荷设计条件。进一步的，S4中所述的载荷设计条件中，载荷的形式包括界面力、力矩及所述质心的加速度惯性载荷。进一步的，S3中所述的修正相关参数是指修正S1中柔性薄膜反射镜的有限元模型的结构设计参数或/和应力导入中的参数。与现有技术相比，本专利技术以大型柔性薄膜反射镜为研究对象，通过考虑其中心由张紧机构引入的预紧张力的非线性因素，建立有限元模型；向柔性薄膜反射镜有限元模型中输入参数进行动力学性能的影响权重分析，提取出影响其动力学性能的关键参数，提高其刚度；然后以柔性薄膜反射镜为基础，加载入航天器本体以建立刚体-柔性体耦合动力学模型；对于空间复杂变轨工况，通过刚体-柔性体耦合动力学分析，给出不同工况、不同界面处载荷，解决带预紧张力的大型柔性薄膜反射镜在不同边界条件下各个关注点和界面的载荷设计问题，确保载荷设计的完整性，以保证大型柔性薄膜反射镜设计的充分有效性。附图说明图1为本专利技术的载荷设计方法的流程图；图2为本专利技术的柔性薄膜反射镜的有限元模型示意图；图3中(a)为间隙单元在初始状态下Na点和Nb点的位置关系示意图，(b)为间隙单元的受力对膜面刚性的影响；图4为本专利技术的柔性薄膜反射镜上界面处的载荷分布示意图；图5为本专利技术的柔性薄膜反射镜的张紧载荷参数对其动力学性能的影响权重分析示意图；图6为本专利技术的柔性薄膜反射镜与航天器本体之间连接界面的载荷分析示意图。具体实施方式为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。一种获取航天器中柔性薄膜反射镜的飞行载荷设计方法，包括以下步骤：S1：依据柔性薄膜反射镜自身结构及其与航天器本体的连接关系，对柔性薄膜反射镜的结构进行设计，确定结构参数，并依据该结构参数建立柔性薄膜反射镜的有限元模型；膜面上相邻区域之间具有连接界面，在该模型中对界面进行应力导入，对柔性薄膜反射镜进行预紧，使膜面张紧而具有一定刚度，从而模拟柔性薄膜反射镜的张开状态。S2：对S1中建立的柔性薄膜反射镜的有限元模型参数化，分析不同参数对柔性薄膜反射镜动力学性能的影响权重，并依据该分析结果调整柔性薄膜反射镜的频率。S3：柔性薄膜反射镜在轨运行需保证一定的稳定度，为避免产生共振等危险状况，其频率受到航天器控制系统控制能力的限制，故将S2中得到的频率与航天器的控制系统的要求进行对比，若该频率满足要求，则在柔性薄膜反射镜的有限元模型的基础上建立刚体-柔性体耦合动力学模型；否则则返回S1修正相关参数后重新开始。S4：将S3中建立的刚体-柔性体耦合动力学模型进行航天器轨道控制、姿态控制等在轨工况载荷分析，获得柔性薄膜反射镜的载荷设计条件。本专利技术以连接于航天器本体上的大型柔性薄膜反射镜为研究对象，通过考虑其预紧张力的非线性因素建立动力学模型，然后输入参数分析进行动力学性能影响权重分析，提取出影响柔性薄膜反射镜动力学性能的关键因素，通过调整关键因素获取理想的频率，进一步建立刚体-柔性体耦合动力学模型。将刚体-柔性体耦合动力学模型置于不同在轨工况进行动力学分析，解决柔性薄膜反射镜在不同边界条件下各个界面的载荷设计问题，确保载荷设计的完整性，进而保证柔性薄膜反射镜设计的充分有效性。具体的，S1中所说的应力导入是指：在柔性薄膜反射镜的有限元模型中，通过自编程序读取柔性薄膜反射镜及与之对应的支撑杆件(张紧机构中与柔性薄膜反射镜连接的零件，该零件对应有限元模型上柔性薄膜反射镜的界面处)的有限元节点信息，并建立间隙单元模型，通过向间隙单元施加张紧载荷使膜面张紧。为更好地理解本专利技术，以下结合原理作进一步阐述。请参阅图3，如(a)图，在薄膜反射镜上取节点Na，支撑杆件上取节点Nb，在两个节点间建立间隙单元，该间隙单元在初始状态下其模型单元的初始载荷为F0，点Na和点Nb的位移为Sa-Sb；如(b)图，向间隙单元施加张紧载荷Fx之后，Na点和Nb点处对应的膜面的刚性Ka和Kb随之改变；故通过向间隙单元施加张紧载荷使膜面张紧，能够有效模拟柔性薄膜反射镜的张开状态，Na点的张紧载荷Fa和Nb点的张紧载荷Fb分别如公式(1)和公式(2)：Fa＝F0+Ka×(Sa-Sb)(1)Fb＝F0+Kb×(Sa-Sb)(2)以下结合图2和图4进一步阐述应力导入。请参阅图4，图中展示了柔性薄膜反射镜的展开状态主视图，考虑到柔性薄膜反射镜的自身结构及其与航天器本体惯常的连接关系，图4中柔性薄膜反本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.获取航天器中柔性薄膜反射镜的飞行载荷设计方法，包括以下步骤：S1：建立柔性薄膜反射镜的有限元模型，并对膜面上的界面进行应力导入，使所述膜面张紧；S2：对S1中建立的柔性薄膜反射镜的有限元模型参数化，分析不同参数对柔性薄膜反射镜力学性能的影响权重，并依据该分析结果调整柔性薄膜反射镜的频率；S3：将S2中得到的频率与航天器的控制系统的要求进行对比，若所述频率满足要求，则在所述柔性薄膜反射镜的有限元模型的基础上建立刚体‑柔性体耦合动力学模型；否则则返回S1修正相关参数后重新开始；S4：将S3中建立的刚体‑柔性体耦合动力学模型进行在轨工况载荷分析，获得柔性薄膜反射镜的载荷设计条件。

【技术特征摘要】
1.获取航天器中柔性薄膜反射镜的飞行载荷设计方法，包括以下步骤：S1：建立柔性薄膜反射镜的有限元模型，并对膜面上的界面进行应力导入，使所述膜面张紧；S2：对S1中建立的柔性薄膜反射镜的有限元模型参数化，分析不同参数对柔性薄膜反射镜力学性能的影响权重，并依据该分析结果调整柔性薄膜反射镜的频率；S3：将S2中得到的频率与航天器的控制系统的要求进行对比，若所述频率满足要求，则在所述柔性薄膜反射镜的有限元模型的基础上建立刚体-柔性体耦合动力学模型；否则则返回S1修正相关参数后重新开始；S4：将S3中建立的刚体-柔性体耦合动力学模型进行在轨工况载荷分析，获得柔性薄膜反射镜的载荷设计条件。2.如权利要求1所述的载荷设计方法，其特征在于，S1中所述的应力导入指：在所述界面处建立间隙单元模型，通过向所述间隙单元施加张紧载荷使膜面张紧。3.如权利要求1所述的载荷设计方法，其特征在于，S2中所述的参数化指：对所述柔性薄膜反射镜的有限元模型赋予参数，该参数包括材料性能参数、薄膜厚度参数以及所述应力导入中对膜面施加的载荷。4.如权利要求1所述的载荷设...

【专利技术属性】
技术研发人员：张华，刘汉武，彭福军，
申请(专利权)人：上海宇航系统工程研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31