1997 航天柔性结构振动控制的若干新进展

第27卷　第1期

力　学　进　展V o l .27　N o .11997年2月25日ADVAN CES I N M ECHAN I CS Feb .25,　1997

航天柔性结构振动控制的若干新进展33国家自然科学基金重点项目资助.

黄文虎

王心清张景绘郑钢铁哈尔滨工业大学航天学院

运载火箭技术研究院总体部西安交通大学哈尔滨工业大学哈尔滨　150001北京　100076西安　710049哈尔滨　150001

提要　围绕航天柔性结构的振动控制,从结构及材料的数学模型、材料及器件、基本理论与方法和一体化振动控制几个方面对一些研究的最新进展进行了介绍.主动控制和被动控制的一体化技术研究是当今航天柔性结构振动控制研究的重点,两种控制方法的结合不仅优点互补,而且提高了控制系统的性能.控制用材料和器件的研究在工程应用的推动下,也取得了较快的发展,并促进了振动控制技术的实用化.关键　航天结构;振动控制;主动控制;被动控制;材料;传感器;作动器

1　引　言

大型化、低刚度与柔性化是各类航天结构的一个重要发展趋势.无疑轻型结构可以增加有效载荷的重量,提高运载工具的效率.大型结构可以增加空间结构的功能,如更大的太阳能电池阵列可以为空间结构提供更加充足的能源.但这同时也给结构的设计、制造和使用带来了一系列新的问题.这类大型柔性结构的模态阻尼小,如不采取措施对其振动进行抑制,在太空中运行时,一旦受到某种激振力的作用,其大幅度的振动要延续很长时间.这不仅会影响航天结构的工作,如姿态的稳定和定向精度等问题,还将使结构产生过早的疲劳破坏,影响结构的使用寿命,或导致结构中仪器的损坏.这在实际情况中已有例证.就现在已有的航天结构,结合我国的情况,大型柔性结构的振动抑制问题仍非常突出.以大型运载火箭和其有效载荷为例,需要减振的部位很多,例如,仪器仓,由于安装有火箭的控制、遥测等各种仪器,对振动环境有严格的要求;船箭或星箭接口支架,它传递发动机点火、级间分离等引起的对飞船或卫星的冲击,减、隔振可以减少冲击对飞船或卫星的影响;飞船逃逸系统的栅格翼打开后,要使弹性、刚性运动稳定,振动抑制是重要的保证措施;将要投入使用的桁架・

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式一箭多星卫星支持,如对振动不加以有效的控制,可能会出现不希望出现的结果.总之,不论是从现在、近期或远期,振动控制的研究都有其重要的工程意义.

从动力学和振动控制的角度,大型柔性结构具有以下明显的特点:

・柔性大,低频模态密集,模态耦合程度高;

・结构复杂,建模困难;

・未被控制的结构阻尼小,非常需要提高结构的阻尼;

・瞬态环境条件(或载荷)要求振动控制频带较宽,由于载荷的不确定性需要寻求新的结构响应分析和振动控制规律;

・系统和环境存在着多种耦合,耦合分析的困难要求由振动控制措施来弥补;

・要求振动控制系统可靠性高、耗能低并且附加质量低.

由此看来,采用单一的被动振动控制(PV C)或主动振动控制(AV C)往往难以满足航天结构的需要.虽然被动控制有容易实现、成本低和结构简单等特点,但缺少控制上的灵活性,对突发性环境变化应变能力差,对结构的阻尼,在重量等约束条件的限制下其增加也是有限的.由于“水床效应”(w aterbed effect)(H erzog,1994),在有些情况下,可能会产生相反的效果.

与被动控制相比,主动控制具有较大的灵活性,对环境的适应能力强.但主动控制需要消耗能源,受到多种因素的影响.由于复杂结构建模方面的困难,主动控制必需考虑模型误差、模态截断等带来的不利因素.由于影响因素多,使做可靠性分析困难.此外,基于线性控制规律的主动控制对瞬态振动的控制效果不佳.

基于上述原因,航天柔性结构振动控制的一个主要发展趋势是将主动控制和被动控制相结合,将各自的优点进行互补,以收到更好的效果(Do sh,et al,1993;E llison,et al,1993; N eubert,1993;O noda&M inesugi,1994).需要注意到的一点是,伴随着主动振动控制的应用,人们将被动振动控制由吸振器、约束阻尼层的布置等传统的概念范畴推广到结构设计的修改,认为以抑制振动为目的的结构设计修改也是一种被动控制,从而提出了结构设计修改与主动振动控制系统的相互作用问题(CS I)(Salam a,et al,1989).将主动控制和被动控制用于同一结构产生了许多新的理论和技术问题,这是许多研究工作的重点,并产生了许多新的概念和方法.最重要的一个概念就是主动控制与被动控制的一体化概念(in tegrated p assive and active vib rati on con tro l,IPAV C)(N eubert,1993),使理论研究向前推进了一步.

一体化振动控制的需求带动了材料和器件研究的进展.反过来,新材料、新器件也推动了振动控制的工程应用.将阻尼材料、传感器和作动器作成一体所生成的智能构件(s m art com ponen t)使得振动控制系统和结构可以进行有机的组合,控制系统可以模块化生成(Do sch,et al,1993),从而极大地简化了控制器的设计过程.

本文将从结构及材料的数学模型、材料及器件、基本理论与方法、一体化控制几个方面对航天柔性结构振动控制的一些新进展作一简要介绍,同时也提出我们的一些观点和意见.

2　结构及材料的数学模型

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结构的数学模型对于振动控制的许多方法都十分重要,一个精确的数学模型可以使振动控制系统的分析和设计得到简化.对于一个复杂的航天结构往往很难得到精确的数学模型,特别是当结构含有阻尼材料和联接构件时.由于结构的复杂性,加上阻尼系数受到多种因素的影响,用实验和参数识别技术有时也难以使模型的精度有较大的提高,尤其是阻尼项(Chen ,1984;B runo ,1994).为此,除了从研究控制方法入手以克服由于模型不精确所带来的问题外,对数学模型,特别是阻尼材料的数学模型研究仍是当前研究工作的一个重点.

由于主动控制多采用压电材料作为传感器和作动器,因此当将压电材料嵌入结构后,结构的建模需要进行专门的研究,如有限元模型的建立、材料变形与作用力的关系等(Sh ieh ,1994;丁文镜,1994).由智能构件组成的结构的建模也是一个研究的课题(Do sch ,et al ,1993).Do sch 等提出由试验直接识别用于控制器设计的模型的参数,以改善控制系统的设计(Do sch ,et al ,1993).

由于阻尼比较大,粘弹性材料经常被用作航天结构的振动控制材料(M o rgen thaler ,1993).粘弹性材料是一种高分子聚合材料,其动力特性相当复杂.复杂性主要表现在材料的动力学行为强烈依赖于温度和振动频率(M o rgen thaler ,1993;Kasai ,etal ,1991;N eubert ,1993).为了很好地应用粘弹性材料,一个好的数学描述就显得十分重要.目前主要采用的模型有M axw ell 模型、Kelvin -V o igh t 模型及这些基本模型的复杂组合(杨挺青,1990).这类模型的优点是形式简单,但由于模型要求的项数太多,项数取得太少导致结构动力分析时的精度太差.由Gem an t 首先提出的粘弹性材料本构关系的分数导数模型可以仅用少量的项构成材料的数学模型,并且能够描述结构在一个大的频率范围内的动力学特性,除此之外,该模型的系数具有一定的物理意义,所以被认为是能够精确描述粘弹性材料的模型(Gem an t ,1938;M o rgen thaler ,1993;Kasai ,et al ,1991;B agley &To rvik 1983;陈国平和朱德懋,1992).

分数导数模型是将粘弹性材料的应力与应变之间的关系用分数导数表示

т

(t )+b D Βт(t )=G 0r (t )+G 1D Αr (t )(2.1)其中,т(t )和r (t )分别是应力与应变,b 、G 0和G 1为实数,Α,Β为分数导数的阶次,且

0<Α<1　和　0<Β<1

(2.2)D Β和D Α为分数导数算子,D Κт(т)=1#(1-Κ)d d t ∫t 0т(∆)(t -∆)Βd ∆, (Κ=Α,Β)(2.3)

#为伽玛函数.由于分数导数所具有的拉氏变换的特有性质,可以得到一个分数导数模型在拉氏域中的简洁形式

G (S )=G 0+G 1S Α1+bS Β(2.4)

这里利用了关系式

тλ(S )=G ∞(S )r λ(S )(2.5)

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