衛星飛輪被動隔振系統設計方法技術方案

本發明專利技術提供了一種衛星飛輪被動隔振系統設計方法，包括：分析飛輪的構型及組成，以多體動力學理論、有限元理論為指導，建立飛輪的多體動力學模型并修正；根據地面試驗數據和修正后飛輪模型的振動特性仿真分析結果提出飛輪被動隔振方案設計，包括隔振器剛度設計、阻尼設計、布局設計；根據方案設計結合飛輪動力學模型，仿真分析該方案的性能，若滿足指標要求則進行地面試驗驗證，若不滿足則重新進行方案設計；為進一步驗證方案的可行性，進行飛輪地面被動隔振試驗，若滿足則設計完成，若不滿足則重新進行被動隔振方案設計。本發明專利技術能夠有效降低飛輪對衛星平臺的微振動干擾，為高精度、高分辨率、高穩定超靜平臺的發展提供技術支撐。

【技術實現步驟摘要】
衛星飛輪被動隔振系統設計方法
本專利技術涉及衛星飛輪被動隔振設計領域，具體地，涉及一種衛星飛輪被動隔振系統設計方法。
技術介紹
隨著航天技術的發展，衛星有效載荷的精度越來越高，與此同時對衛星平臺的微振動環境提出了苛刻的要求。為了滿足衛星姿態調節的要求，衛星都備有飛輪或力矩陀螺等轉動部件，這必然引入了振動干擾源，根據研究發現飛輪對衛星平臺的振動影響最大，針對飛輪進行被動隔振設計是解決這一問題的有效途徑。被動隔振系統設計包括隔振器的剛度設計、阻尼設計、布局設計等等，這些參數的設計必須以飛輪振動特性參數為指導，而飛輪參數的獲取必須以仿真分析和地面試驗數據為指導。然而，飛輪振動特性仿真分析存在模型準確建模難、轉動部件特性準確描述難等特點，使得仿真結果難以與試驗統一，進而難以指導、支持和論證被動隔振系統的設計與驗證。因此，在飛輪被動隔振系統設計研制的工程實際過程中，如何準確、高效地進行衛星飛輪被動隔振系統的設計顯得至關重要。
技術實現思路
針對現有技術中的缺陷，本專利技術的目的是提供一種衛星飛輪被動隔振系統設計方法。根據本專利技術的一個方面，提供一種衛星飛輪被動隔振系統設計方法，包括以下步驟：步驟1：根據飛輪設計方案分析飛輪構型，將飛輪支架結構與飛輪轉動部件分開進行單獨建模分析；步驟2：綜合飛輪地面振動特性試驗數據和飛輪運動控制策略，利用有限元理論和多體動力學理論進行飛輪動力學建模并修正；步驟3：根據步驟2建立飛輪動力學模型進行飛輪振動特性仿真分析，并根據分析仿真結果和試驗結果進行被動隔振系統設計；步驟4：設計后的隔振系統與飛輪動力學模型進行仿真分析驗證隔振性能，若滿足指標要求則進行地面試驗，若不滿足指標要求則重新進行隔振系統方案設計；步驟5：通過仿真分析驗證隔振系統的性能后進行地面試驗驗證隔振系統的隔振性能，若地面試驗結果表明被動隔振系統滿足指標要求，則整個設計流程結束，若不滿足指標要求則重新進行隔振系統方案設計，直至滿足指標要求。優選地，步驟2包括：步驟21：綜合飛輪支架地面振動特性試驗數據利用有限元理論進行飛輪支架結構有限元模型建模并修正；步驟22：綜合飛輪轉動部件地面振動特性試驗數據和控制系統設計方案，利用有限元理論和多體動力學理論建立轉動部件的含控制模型的飛輪多體動力學模型。優選地，步驟21中通過Patran/Nastran軟件進行飛輪支架結構有限元模型建模；步驟22中通過Matlab/Simulink軟件進行轉動部件控制系統的控制模型建模，并通過Adams軟件進行飛輪動力學模型建模。優選地，飛輪支架結構有限元模型包括：飛輪支架與飛輪安裝面、飛輪支架主體和飛輪支架與星體安裝面，飛輪支架與飛輪安裝面、飛輪支架主體和飛輪支架與星體安裝面依次連接。飛輪支架與飛輪安裝面保證飛輪支架和飛輪的安裝；飛輪支架主體保證飛輪的安裝剛強度，傳遞力矩；飛輪支架與星體安裝面，保證飛輪支架和星體的安裝。優選地，控制模型采用經典PID控制策略，通過調節Kp、Ki、Kd三個參數使系統獲得最優控制效果。優選地，飛輪動力學模型包括:Matlab/Simulink控制系統、飛輪支架結構有限元模型和飛輪多體動力學模型，Matlab/Simulink控制系統分別與飛輪支架結構有限元模型和飛輪多體動力學模型連接，且Matlab/Simulink控制系統與飛輪多體動力學模型連接形成閉環控制回路。優選地，地面振動特性試驗包括模態試驗和振動試驗，地面振動特性試驗數據包括質量特性數據、模態特性數據和振動傳遞特性數據。優選地，被動隔振系統設計包括隔振器的剛度設計、阻尼設計和布局設計。本專利技術從工程實際角度出發，采用了全面豐富的工程測試數據和參數優化措施，提出了一種可以準確、高效地進行衛星飛輪被動隔振系統設計的方法，能夠有效降低飛輪對衛星平臺的微振動干擾。與現有技術相比，本專利技術具有如下的有益效果：本專利技術將飛輪支架結構與飛輪轉動部件分開考慮建模，前者利用模態試驗、振動試驗進行模型修正；后者利用轉動部件地面試驗數據進行建模和修正，實現準確、高效地進行衛星飛輪被動隔振系統的設計，能夠有效降低飛輪對衛星平臺的微振動干擾，為高精度、高分辨率、高穩定超靜平臺的發展提供技術支撐。附圖說明通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本專利技術的其它特征、目的和優點將會變得更明顯：圖1為本專利技術衛星飛輪被動隔振系統設計方法的執行流程圖；圖2為飛輪支架結構有限元模型的結構示意圖；圖3為飛輪動力學模型的結構原理圖。圖中，1為飛輪支架與飛輪安裝面；2為飛輪支架主體；3為飛輪支架與星體安裝面。具體實施方式下面結合具體實施例對本專利技術進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本專利技術，但不以任何形式限制本專利技術。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本專利技術構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本專利技術的保護范圍。請參閱圖1，一種衛星飛輪被動隔振系統設計方法，包括以下步驟：步驟1：根據飛輪設計方案分析飛輪構型，將飛輪支架結構與飛輪轉動部件分開進行單獨建模分析。步驟2：綜合飛輪地面振動特性試驗數據和飛輪運動控制策略，利用有限元理論和多體動力學理論進行飛輪多體動力學建模并修正。具體包括：步驟21：綜合飛輪支架地面振動特性試驗數據利用有限元理論進行飛輪支架結構有限元模型建模并修正。具體地，飛輪支架結構有限元模型包括：飛輪支架與飛輪安裝面1、飛輪支架主體2和飛輪支架與星體安裝面3，飛輪支架與飛輪安裝面1、飛輪支架主體2和飛輪支架與星體安裝面3依次連接。飛輪支架與飛輪安裝面1用于保證飛輪支架和飛輪的安裝；飛輪支架主體2用于保證飛輪的安裝剛強度，傳遞力矩；飛輪支架與星體安裝面3用于保證飛輪支架和星體的安裝。進一步地，本專利技術具體采用“模態價值降階法”對飛輪支架結構有限元模型進行優化。步驟22：綜合飛輪轉動部件地面振動特性試驗數據和控制系統設計方案，利用有限元理論和多體動力學理論建立轉動部件的含控制模型的飛輪多體動力學模型。具體地，控制模型采用經典PID控制策略，通過調節Kp、Ki、Kd三個參數使系統獲得最優控制效果。具體地，飛輪動力學模型包括:Matlab/Simulink控制系統、飛輪支架結構有限元模型和飛輪多體動力學模型，Matlab/Simulink控制系統分別與飛輪支架結構有限元模型和飛輪多體動力學模型連接，且Matlab/Simulink控制系統與飛輪多體動力學模型連接形成閉環控制回路。進一步地，步驟21中通過Patran/Nastran軟件進行飛輪支架結構有限元模型建模；步驟22中通過Matlab/Simulink軟件進行轉動部件控制系統的控制模型建模，并通過Adams軟件進行飛輪動力學模型建模。進一步地，地面振動特性試驗包括模態試驗和振動試驗，地面振動特性試驗數據包括質量特性數據、模態特性數據和振動傳遞特性數據。步驟3：根據步驟2建立飛輪多體動力學模型進行飛輪振動特性仿真分析，并根據分析仿真結果和試驗結果進行被動隔振系統設計。具體地，被動隔振系統設計具體包括隔振器的剛度設計、阻尼設計和布局設計。步驟4：設計后的隔振系統與飛輪多體動力學模型進行仿真分析驗證隔振性能，若滿足指標要求則進行地面試驗，若不滿足指標要求則重新進行隔振系統方案設計。步驟5：通過仿真分本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種衛星飛輪被動隔振系統設計方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟1：根據飛輪設計方案分析飛輪構型，將飛輪支架結構與飛輪轉動部件分開進行單獨建模分析；步驟2：綜合飛輪地面振動特性試驗數據和飛輪運動控制策略，利用有限元理論和多體動力學理論進行飛輪動力學建模并修正；步驟3：根據步驟2建立飛輪動力學模型進行飛輪振動特性仿真分析，并根據分析仿真結果和試驗結果進行被動隔振系統設計；步驟4：設計后的隔振系統與飛輪動力學模型進行仿真分析驗證隔振性能，若滿足指標要求則進行地面試驗，若不滿足指標要求則重新進行隔振系統方案設計；步驟5：通過仿真分析驗證隔振系統的性能后進行地面試驗驗證隔振系統的隔振性能，若地面試驗結果表明被動隔振系統滿足指標要求，則整個設計流程結束，若不滿足指標要求則重新進行隔振系統方案設計，直至滿足指標要求。

【技術特征摘要】
1.一種衛星飛輪被動隔振系統設計方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟1：根據飛輪設計方案分析飛輪構型，將飛輪支架結構與飛輪轉動部件分開進行單獨建模分析；步驟2：綜合飛輪地面振動特性試驗數據和飛輪運動控制策略，利用有限元理論和多體動力學理論進行飛輪動力學建模并修正；步驟3：根據步驟2建立飛輪動力學模型進行飛輪振動特性仿真分析，并根據分析仿真結果和試驗結果進行被動隔振系統設計；步驟4：設計后的隔振系統與飛輪動力學模型進行仿真分析驗證隔振性能，若滿足指標要求則進行地面試驗，若不滿足指標要求則重新進行隔振系統方案設計；步驟5：通過仿真分析驗證隔振系統的性能后進行地面試驗驗證隔振系統的隔振性能，若地面試驗結果表明被動隔振系統滿足指標要求，則整個設計流程結束，若不滿足指標要求則重新進行隔振系統方案設計，直至滿足指標要求。2.根據權利要求1所述的衛星飛輪被動隔振系統設計方法，其特征在于，步驟2包括：步驟21：綜合飛輪支架地面振動特性試驗數據利用有限元理論進行飛輪支架結構有限元模型建模并修正；步驟22：綜合飛輪轉動部件地面振動特性試驗數據和控制系統設計方案，利用有限元理論和多體動力學理論建立轉動部件的含控制模型的飛輪動力學模型。3.根據權利要求2所述的衛星飛輪被動隔振系統設計方法，其特征在于，步驟21中通過Patran/Nastran軟件進行飛輪支架結構有限元模型建模；步驟2...

【專利技術屬性】
技術研發人員：沈海軍，申軍烽，蔣國偉，陸國平，鐘鳴，虞自飛，黃俊杰，
申請(專利權)人：上海衛星工程研究所，
類型：發明
國別省市：