星载SAR天线可展机构展开锁定功能可靠性分析方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了星载SAR天线可展机构展开锁定功能可靠性分析方法及系统，涉及星载天线可展机构技术领域，建立了可展机构展开过程的动力学模型，能够定量分析杆长误差、驱动力矩波动等要素影响下的机构展开锁定特性，为综合判定机构的星载SAR天线展开可靠性提供了坚实的理论支撑；通过分析不同误差下可展机构的运动学特性，还可有效指导可展机构的装调优化，在保障装配质量的同时提升装配效率，特别地，本发明专利技术中的数值迭代求解算法能够有效获取欠定驱动展开过程的动态响应，该算法对非完整约束下的动力学求解问题也具有参考价值。下的动力学求解问题也具有参考价值。下的动力学求解问题也具有参考价值。

【技术实现步骤摘要】
星载SAR天线可展机构展开锁定功能可靠性分析方法及系统


[0001]本专利技术涉及星载天线可展机构
，具体涉及星载SAR天线可展机构展开锁定功能可靠性分析方法及系统。

技术介绍

[0002]囿于运载火箭的容积限制，大型星载SAR天线需要在发射时先收拢，入轨后再展开。因此，其可展机构能否“展得开”、“锁得住”直接决定着卫星发射任务的成败。然而，在杆件装调误差、驱动力矩波动等多种影响因素的耦合作用下，可展机构的展开锁定可靠性常常遭受巨大技术风险。不同于一般的连杆机构，星载SAR天线可展机构不仅具有“多环闭链、变自由度、欠定驱动、强非线性”等特征，而且要求部分铰链严格按照既定展开策略可靠锁定，这给该机构展开锁定过程理论建模分析带来严峻挑战。为此，工程人员不得不在地面装配过程中反复进行折展测试，以确保其展开锁定功能正常。然而，反复折展会造成镀膜、卷簧等薄弱零件的损伤，进而可能诱发其它潜在事故。因此，量化评估星载SAR天线可展机构的展开锁定功能可靠性尤为重要。
[0003]经过对现有方法的检索发现，目前国内关于星载SAR天线可展机构的展开锁定功能可靠性分析方法尚未见诸报道。一是从机理层面揭示多环闭链变自由度机构动力学特性的建模方法较少，二是经典求解方法(如直接积分法和降阶积分法)难以纳入实际机构的驱动特性和约束条件，无法指导工程实践。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种星载SAR天线可展机构展开锁定功能可靠性分析方法及系统，以克服现有纯实验检验手段的技术缺陷；本专利技术充分考虑了可展机构多环闭链、变自由度、欠定驱动、强非线性等特征，摒弃了一般的概率可靠性评价方式，基于动力学分析进行功能可靠性评估，从而更能满足实际需要和有效指导工程实践。
[0005]星载SAR天线可展机构展开锁定功能可靠性分析方法，包括以下步骤：
[0006]S1，依照星载SAR天线可展机构实际构型建立九连杆机构数学模型，根据可展机构的驱动策略划分展开阶段，分别计算各展开阶段的自由度，根据各展开阶段的自由度，判别各展开阶段为欠驱动展开过程还是适定驱动展开过程；
[0007]S2，建立可展机构坐标系，确定可展机构参数，根据九连杆机构数学模型列出该模型对应的几何环约束方程，根据几何环约束方程将各从动件的转动角度依次表征为主动件转动角度的函数关系式，建立展开过程运动学模型；
[0008]S3，根据展开过程运动学模型求解各构件的质心位置、角速度与角加速度，计算整个可展机构的动能和弹性势能，基于拉格朗日方程建立可展机构各展开阶段的动力学模型；
[0009]S4，根据展开过程运动学模型和可展机构各展开阶段的动力学模型，给定各构件的初始运动条件以及主动件的驱动策略，基于两个细分时刻区间内速度和加速度不变原理
迭代求解欠驱动展开过程中各构件的动力学响应特性；通过直接求解拉格朗日动力学方程获得适定驱动展开过程中各构件的动力学响应特性；
[0010]S5，根据所获得的各展开过程运动规律，检验可展机构是否存在运动干涉或奇异现象，如果存在运动干涉或奇异现象，则说明展开锁定功能不可靠；否则计算各锁定铰链的最终展开角度，根据各锁定铰链的最终展开角度按照工程实践准则判定该机构的展开锁定功能是否安全可靠。
[0011]优选的，如果主驱动数目少于系统自由度，为欠驱动展开过程；如果主驱动数目等于系统自由度，整个机构处于适定驱动展开过程，为适定驱动展开过程。
[0012]优选的，可展机构的展开过程分为三个阶段，由平面机构自由度理论可知，三个阶段机构的自由度分别为：
[0013][0014]式中：DOF
i
(i＝1,2,3)为第i阶段的自由度数；N为构件数；P
L
为平面低副数；P
H
为平面高副数。
[0015]优选的，将各构件等效为其中点处的质点，通过表达各构件的旋转动能得到系统的总动能，并根据力矩
‑
转角关系求出各辅助卷簧的弹性势能，进而利用拉格朗日法建立系统在三种不同展开阶段下的动力学模型。
[0016]优选的，利用闭环矢量法对三个环路分别建模：
[0017]对于环路A
‑
B
‑
C
‑
H
‑
G
‑
A，水平和竖直方向存在等式约束：
[0018][0019]对于环路C
‑
I
‑
F
‑
H
‑
C，有方程：
[0020][0021]对于环路H
‑
C
‑
D
‑
E
‑
J
‑
F
‑
H，同理可得：
[0022][0023]上述三个式子中：l
i
(i＝1,2,
…
,13)表示第i段的长度；表示第j段与水平方向所成夹角；
[0024]对方程(2)、(3)和(4)两边做关于时间的微分后，利用及其角速度，可将其他角速度表示为：
[0025][0026][0027][0028][0029][0030][0031]式中为对应的角速度；进一步微分求得相关的加速度，即：
[0032][0033][0034][0035][0036][0037][0038]式中为对应的角加速度。
[0039]优选的，系统的广义输入力为铰链G和铰链J处的输入转矩τ
J
和τ
G
，铰链A处没有外力输入，可展机构各展开阶段的动力学模型：
[0040][0041]E
k
和E
p
分别为系统的动能和弹性势能。
[0042]星载SAR天线可展机构展开锁定功能可靠性分析系统，包括：
[0043]自由度计算模块：依照星载SAR天线可展机构实际构型建立九连杆机构数学模型，根据可展机构的驱动策略划分展开阶段，分别计算各展开阶段的自由度，根据各展开阶段的自由度，判别各展开阶段为欠驱动展开过程还是适定驱动展开过程；
[0044]运动学模型建立模块：建立可展机构坐标系，确定可展机构参数，根据九连杆机构数学模型列出该模型对应的几何环约束方程，根据几何环约束方程将各从动件的转动角度依次表征为主动件转动角度的函数关系式，建立展开过程运动学模型；
[0045]动力学模型建立模块：根据展开过程运动学模型求解各构件的质心位置、角速度与角加速度，计算整个可展机构的动能和弹性势能，基于拉格朗日方程建立可展机构各展开阶段的动力学模型；
[0046]动力学响应特性计算模块：根据展开过程运动学模型和可展机构各展开阶段的动力学模型，给定各构件的初始运动条件以及主动件的驱动策略，基于两个细分时刻区间内速度和加速度不变原理迭代求解欠驱动展开过程中各构件的动力学响应特性；通过直接求
解拉格朗日动力学方程获得适定驱动展开过程中各构件的动力学响应特性；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.星载SAR天线可展机构展开锁定功能可靠性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，依照星载SAR天线可展机构实际构型建立九连杆机构数学模型，根据可展机构的驱动策略划分展开阶段，分别计算各展开阶段的自由度，根据各展开阶段的自由度，判别各展开阶段为欠驱动展开过程还是适定驱动展开过程；S2，建立可展机构坐标系，确定可展机构参数，根据九连杆机构数学模型列出该模型对应的几何环约束方程，根据几何环约束方程将各从动件的转动角度依次表征为主动件转动角度的函数关系式，建立展开过程运动学模型；S3，根据展开过程运动学模型求解各构件的质心位置、角速度与角加速度，计算整个可展机构的动能和弹性势能，基于拉格朗日方程建立可展机构各展开阶段的动力学模型；S4，根据展开过程运动学模型和可展机构各展开阶段的动力学模型，给定各构件的初始运动条件以及主动件的驱动策略，基于两个细分时刻区间内速度和加速度不变原理迭代求解欠驱动展开过程中各构件的动力学响应特性；通过直接求解拉格朗日动力学方程获得适定驱动展开过程中各构件的动力学响应特性；S5，根据所获得的各展开过程运动规律，检验可展机构是否存在运动干涉或奇异现象，如果存在运动干涉或奇异现象，则说明展开锁定功能不可靠；否则计算各锁定铰链的最终展开角度，根据各锁定铰链的最终展开角度按照工程实践准则判定该机构的展开锁定功能是否安全可靠。2.根据权利要求1所述的星载SAR天线可展机构展开锁定功能可靠性分析方法，其特征在于，如果主驱动数目少于系统自由度，为欠驱动展开过程；如果主驱动数目等于系统自由度，整个机构处于适定驱动展开过程，为适定驱动展开过程。3.根据权利要求2所述的星载SAR天线可展机构展开锁定功能可靠性分析方法，其特征在于，可展机构的展开过程分为三个阶段，由平面机构自由度理论可知，三个阶段机构的自由度分别为：式中：DOF
i
(i＝1,2,3)为第i阶段的自由度数；N为构件数；P
L
为平面低副数；P
H
为平面高副数。4.根据权利要求1所述的星载SAR天线可展机构展开锁定功能可靠性分析方法，其特征在于，将各构件等效为其中点处的质点，通过表达各构件的旋转动能得到系统的总动能，并根据力矩
‑
转角关系求出各辅助卷簧的弹性势能，进而利用拉格朗日法建立系统在三种不同展开阶段下的动力学模型。5.根据权利要求4所述的星载SAR天线可展机构展开锁定功能可靠性分析方法，其特征在于，利用闭环矢量法对三个环路分别建模：对于环路A
‑
B
‑
C
‑
H
‑
G
‑
A，水平和竖直方向存在等式约束：
对于环路C
‑
I
‑
F
‑
H
‑
C，有方程：对于环路H
‑
C
‑
D
‑
E
‑
J
‑
F
‑
H，同理可得：上述三个式子中：l
i
(i＝1,2,
…
,13)表示第i段的长度；表示第j段与水平方向所成夹角；对方程(2)、(3)和(4)两边做关于时间的微分后，利用及其角速度，可将其他角速度表示为：他角速度表示为：他角速度表示为：他角速度表示为：他角速度表示为：他角速度表示为：式中为对应的角速度；进一步微分求得相关的加速度，即：
式中为对应的角加速度。6.根据权利要求5所述的星载SAR天线可展机构展开锁定功能可靠性分析方...

【专利技术属性】
技术研发人员：余德文，赵强强，洪军，李小虎，郭俊康，张进华，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：