硕士期末论文,基于ADAMS对太阳能帆板的振动分析
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基于ADAMS对太阳能帆板的振动分析
王xx
（西南石油大学，四川成都610500）
摘要：本文通过建立的卫星模型ADAMS/Vibration振动模块对卫星刚性的太阳能帆板展开后进行振动分析得出太阳能帆板的振动模态和特征值以及频率响应曲线。
通过分析得出系统的最大振型为以后卫星结构和参数进行优化设计提供了依据。
关键词：太阳能帆板；振动分析；ADAMS/Vibration；频率响应曲线；模态坐标
1引言：
卫星上太阳能帆板是卫星运转的供电装置，其面积大，重量小，柔度大，这些特点都不利于卫星空间稳定运转，进而它的动态特性（模态和频率）以及影响其模态参数的主要因素自然成为工程设计人员的主要研究问题。
本文用理想的太阳能帆板及用柔性小的钢板来代替柔性大的帆板来研究。
为此基于ADAMS中的振动模块对柔性太阳能帆板进行分析。
ADAMS/Vibration振动分析模块是ADAMS针对ADAMS/View、ADAMS/Car、ADAMS/Solver等模块添加的频域分析模块，主要用来在频域内对系统进行受迫振动分析，计算系统的响应及模态，并据此提出系统的减振措施。
ADAMS/Vibration振动分析模块，通过利用激振器的虚拟测试，以代替产品的昂贵的物理模型进行振动分析，从而避免了实际振动分析只能在设计产品的最后阶段进行且费用昂贵的弊端，进而大大缩短产品设计时间，降低设计成本。
2对太阳能帆板在激振器作用下进行振动分析的必要性太阳能帆板是一种收集太阳能的装置，它将太阳能转化为电能，然后储存在卫星的太阳能电池里。
为卫星在太空中的正常运转提供了充足的电力保障。
但卫星运转时，太阳能帆板来自宇宙风、微粒等干扰力的作用，使其发生振动，不但会对卫星的空间定位产生影响，还会使太阳能帆板产生由振动引起的疲劳损伤，进而维系到整个卫星的运转。
所以对太阳能帆板展开后的振动分析就显得相当重要。
本研究采用的是谐波激振力，它是以频率为变量、幅值为常数的正弦函数力，在ADAMS中，这个正弦函数的幅值和初始相位需要在初始化激励源氏设置。
谐波函数表达式:f(ω)=F,对应时域表达式为:f(t)=F[cos(ωt+θ)+j·sin(ωt+θ)]。
式中f(ω)—作用力方程；F-作用力的幅值；f-函数在
时域里的对应值；t-时间变量；θ-相位角。
3卫星整体几何建模及其前处理
3.1利用三维CAD建模
运用三维CAD进行建模然后导入ADAMS/View用户界面，该模型有五个构件（2个太阳能帆板、太空舱、卫星转接器、试验台）、三个运动副和创建的六个几何点构成。
在ADAMS/View界面在太阳能帆板与太空舱之间添加两个卷曲弹簧，在太空舱与卫星转接器之间添加三个阻尼器，在卫星转接器与试验台之间添加三个阻尼器，试验台与地面之间添加固定副。
结果如图1所示。
图1卫星整体模型
3.2建立输入、输出通道
在负载中心位置处的X轴和Y轴方向建立两个输入通道及其激振器，产生振动，可以绘制频率响应曲线。
两个激振器对模型产生两个方向相互垂直的指定范围频率内的正弦作用力，X方向的输入使卫星横向振动，Y方向的输入使卫星纵向振动。
至此，ADAMS/Vibration建立了两个输入通道及其激振器，再建立一个运动学输入通道及其激振器。
指出计算系统响应的位置，通过分析系统的响应可以知道系统的振动特性。
输出通道用以检测系统的频率响应，可以在频率直接报给结果。
本次仿真中是研究太阳能帆板的振动情况，为此输出通道选择在帆板的中心处及顶角处。
至此所有的输入、输出通道都已建立完成。
如图2所示。
图2输入、输出通道
4卫星的振动仿真及结果分析
太阳能帆板是与太空舱通过旋转副连接着，而太空舱、卫星转接器、试验台三者之间通过阻力器柔性连接着，故卫星转接器的底面的中心处是振源的主要输入点，由于宇宙中的不确定因素比较多，比如宇宙风或微粒子流等，其各方面的干扰力非常复杂，无法用精确的函数来表达，所以振动仿真中，近似用正弦函数来定义系统振动的激振器。
当太阳能帆板在宇宙中因为外界干扰力的作用发生振动时，其卫星空间定位不但受到影响，还可能由于振动导致太阳能帆板发生疲劳损失，进而影响到对航天器的提供能源。
故将太阳能帆板的中心处作为振动响应的输出点。
另外本仿真中太阳能帆板采用的是柔性小的刚性体，其振动变形的程度相对小些，因此选择输出通道的类型为位移、速度、加速度类型。
4.1绘制输入通道处的系统模态
输入通道是给系统定义激励的输入端口，振动激励必须通过输入端口输入，另外输入通道还可以用作绘制系统频率响应的端口。
一个通道只能有一个输入激励，而一个激励可以通过不同的通道输入给系统。
为此，在卫星转接器的底面中心处分别输入x、y方向上正弦函数激振力，如图3所示。
图3模态标记点及其特征值
4.2进行振动分析，输出仿真结果
输入计算频率的起始频率O.1 Hz,终止频率1000Hz和步数400。
另外使计算频率之间成对数关系。
在Adams/Vibralion模块中对卫星仿真模型进行了振动分析，求得该虚拟样机系统共有16阶模态频率及振型，从而得到模态标记点及其特征值，如图1所示。
在激振器的作用下，得到的所需的频率响应曲线，如图所示。
从图4中可以看出影响垂直加速度响应最大的两个模态频率为2.5Hz和10Hz附近。
图4频率响应的幅值与相位图
为了更好的查看帆板的最大振型加速度状态，通过软件绘制得到激振力作用下x,y方向系统模态响应图，如图5所示。
图5x,y方向系统模态响应图
绘制模态坐标。
绘制模态坐标可以发现对系统振动响应影响最大的模态，该系统共有16个模态，如图6所示。
通过图形比较得出第1、4、11、12模态对振动响应影响最大。
图6各阶模态坐标图
上面的图例都是进行的模型纵向振动的响应分析，下面来进行模型横向的振动响应进行分析。
绘制受迫振动频响函数及其三维频响分别如图7、8图所示。
可以看出横向方向的影响其响应的最大模态为1Hz和10Hz附近。
图7横向振动的频响曲线
图8横向振动的三维频响图
4.3优化模型
下面通过修改设计变量来确定对于给定频率范围内最大可能降低噪音的阻尼值。
依次把阻尼设计变量改为1%，2%，3%，4%和5%并进行振动分析，绘制频率响应，如图9所示。
从图可以看出在模态为10Hz之前不同阻尼值对幅值的影响基本相同，只是在突变处随着阻尼值的增大幅值越小，在10Hz之后相同频率时随着阻尼值的增大幅值也越大。
图9不同阻尼值频响曲线
4.3仿真结果分析
利用Adams/Vibration振动分析模块得到刚性太阳能帆板在激振器作用下振动模态共16个，如图3所示。
由图6分析得影响太阳能帆板的最大振型模态
1、4、11、12。
通过图4,5,7可知影响模态最大振型的频率范围主要集中1Hz,
2.5Hz,10Hz附近。
通过图6,9分析知道在低阶或高阶模态中容易发生共振，对太阳能帆板产生疲劳损伤.并且影响到卫星的空间定位。
有图9可知选择阻尼值越小一般对于给定频率范围内降低噪音有利。
5结束语
通过对于课题的研究了解了卫星太阳能帆板的运动状态及其不同模态对于帆板运动的影响，对于帆板出现的最大振型模态，为此提高系统的抗振性参数进行优化设计在一系统构时，为了进一步对系统的结构另外可以设置相应的装置来抵消外界干扰力.以达到系统稳定的最佳效果。
参考文献
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