确定有效推进加速度折损的太阳帆瞬态动力学分析方法技术

确定有效推进加速度折损的太阳帆瞬态动力学分析方法，(1)建立太阳帆有限元模型；(2)进入第t个求解时刻，t从t0+Δt开始；(3)根据每个帆面单元与光压方向时刻的夹角，计算第t时刻、含预应力下的的每个帆面单元的刚度矩阵与质量矩阵，进而得到每个帆面单元的受光压面载荷；(4)得到含所有p个单元的总体刚度矩阵Kt与载荷列向量Ft，以及整体质量m和总体质量矩阵Mt；(5)根据第t-Δt时刻的末位移、末速度、末加速度，即第t个时刻的初始条件，以及第t个时刻的总体刚度矩阵与载荷列向量以及总体质量矩阵，计算第t时刻的末位移、末速度、末加速；(6)开始进行第t+Δt时刻，重复(3)～(5)，直至最终求解时间tn；(7)根据上述结果得到加速度的折损。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种确定有效推进加速度折损的基于精确时变光压力模型的太阳帆瞬态动力学分析方法，尤其适用于含褶皱具有无法度量面型精度以及所处不同轨道与姿态的各种的大型超柔度太阳帆结构的精确有效加速度分析确定。
技术介绍
太阳帆是一种先进的无工质长期在轨运行航天器，由于它仅利用太阳在大面积薄膜上的反射光压提供飞行动力，凡是太阳光存在的地方，太阳帆航天器便可以源源不断的获得动力，最终实现普通航天器无法达到的速度。因为太阳帆不受燃料的约束，可以在宇宙中长时间运行，因此特别适用于深空探测任务。太阳帆通过控制其与太阳光线的夹角改变光压的大小，可以使光压成为动力或者阻力，从而控制太阳帆运行的飞行速度和角度，以及轨道位置和姿态位置。尽管太阳帆产生的有效推进加速度仅仅约为0.001m/s-2，但因为涉及在轨姿态调节与轨道保持，对其加速度的要求较为苛刻，需要各方向较为精确的平动与转动加速度值。对与太阳帆而言，毫无疑问，其法向推进加速度至关重要，该数值即为太阳帆最重要的评价指标。但是，国内外太阳帆研究人员通常在计算瞬态有效推进加速度时，都未考虑光压的时变效应。如图2和图3所示，传统太阳帆帆面初始状态的非理想平面以及随着帆面在运行过程中的变形两大因素，非时变光压模型的入射载荷总是与帆面微元垂直(细实线)，而实际的光压模型的入射光压方向始终不变(粗实线)，这就会在最终计算有效推进光压力时漏乘了一次微元与光压方向夹角的方向余弦，导致最终计算得到的有效推进载荷(细虚线)比真实时变情况(粗虚线)略有增加，并且可以注意到，帆面变形越大，对非时变光压模型的计算误差越大。即最终计算得到的有效推进加速度比实际时变状态略有增加。在真实受力情况下，太阳帆每一帆面微元所受的光压力初始载荷经过两次投影折损相乘计算即为太阳帆真实的有效推进力方向，这两次投影折损计算分别为：帆面入射载荷与帆面法向之间的投影计算，即为第一次折损；每一帆面微元载荷与太阳帆帆面整体法向之间的投影计算，即为第二次折损。正是考虑到这种不真实的非时变光压模型的不准确性带来的加速度非真实增加，研究建立更符合真实状态的时变光压模型，计算时变光压加速度的折损。因此，利用一种确定有效推进加速度折损的基于精确时变光压力模型的太阳帆瞬态动力学分析方法成为该领域目前亟待解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有分析方法的不足，提供一种确定有效推进加速度折损的基于精确时变光压力模型的太阳帆瞬态动力学分析方法。本专利技术的技术解决方案是：确定有效推进加速度折损的太阳帆瞬态动力学分析方法，步骤如下：(1)建立太阳帆有限元模型，即建立支撑臂一维梁单元与帆面二维三角形壳单元模型，设置材料参数与截面属性，施加预紧力，建立支撑臂与帆面连接节点约束；设置光压力载荷P，设置动力学分析的初始时间t0，最终时间tn与时间步长Δt以及所有节点的初始速度及加速度列向量v0与a0；对帆面二维三角形壳单元模型中的帆面单元进行统一单元编号从1,2,…,p共p个单元；对太阳帆有限元模型中节点统一编号从1,2,…,q共q个节点；(2)进入第t个求解时刻，t从t0+Δt开始；(3)根据每个帆面单元与光压方向时刻的夹角，计算第t时刻、含预应力下的的每个帆面单元的刚度矩阵与质量矩阵，进而得到每个帆面单元的受光压面载荷；(4)根据步骤(3)的结果，得到含所有p个单元的总体刚度矩阵Kt与载荷列向量Ft，以及整体质量m和总体质量矩阵Mt；(5)根据第t-Δt时刻的末位移、末速度、末加速度，即第t个时刻的初始条件，以及步骤(4)第t个时刻的总体刚度矩阵与载荷列向量以及总体质量矩阵，计算第t时刻的末位移、末速度、末加速；(6)开始进行第t+Δt时刻，重复步骤(3)～(5)，直至最终求解时间tn；(7)将(6)计算得到的时间历程下，太阳帆中心点所有时刻的末加速度，与现有的非时变光压力模型得到的瞬时有效推进加速度数值进行比较，并根据最后时刻末位移求得平均有效推进加速度，进而得到加速度的折损。步骤(7)中可以提取求解历程中太阳帆特征点位移与应力数值，分析其瞬态动力学特性，确定最大变形。所述步骤(3)具体实现步骤如下：(3.1)从步骤(1)中建立的太阳帆有限元模型中读取第i个帆面单元的节点初始坐标Ni＝(xi,yi,zi,αi,βi,γi,)；(3.2)根据第i个帆面单元的在第t-Δt时刻的位移δt-Δti=(δxt-Δti,δyt-Δti,δzt-Δti,δαt-Δti,δβt-Δti,δγt-Δti)]]>以及(3.1)的节点初始坐标Ni＝(xi,yi,zi,αi,βi,γi,)，计算第t时刻的初始位置δti=(xi+δxt-Δti,yi+δyt-Δti,zi+δzt-Δti,αi+δαt-Δti,βi+δβt-Δtiγi+δγt-Δti),]]>第i个帆面单元的面积总体坐标系下的方向向量含预应力下的第t时刻的帆面单元刚度矩阵与质量矩阵求解初始时间t0时刻的位移为0；(3.3)根据步骤(3.2)的结果计算第i个帆面单元的受光压面载荷Fti=(Ftxi,Ftyi,Ftzi,Mtxi,Mtyi,Mtzi)T=[PAti(ntxi,ntyi,ntzi),Mtxi,Mtyi,Mtzi]T,]]>并改写载荷节点力列向量Fti=(Ftx1i,Fty1i,Ftz1i,Mtx1i,Mtz1i,Ftx2i,Fy2i,Ftz2i,Mtx2i,Mty2i,Ftx3i,Fty3i,Ftz3i,Mtx3i,Mty3i,Mtz3i)T;]]>(3.4)开始读取第i+1个帆面单元，重复步骤(3.1)～(3.3)，直至全部帆面单元；(3.5)组成含所有p个单元的第t时刻的总体刚度矩阵Kt和总体质量矩阵Mt，并组成载荷列向量Ft=(F1xi,F1yi,F1zi,M1xi,M1yi,M1zi,F2xi,F2yi,F2zi,M2xi,M2yi,M2zi,···,Fqxi,Fqyi,Fqzi,Mqxi,Mqyi,M本文档来自技高网...

【技术保护点】
确定有效推进加速度折损的太阳帆瞬态动力学分析方法，其特征在于步骤如下：(1)建立太阳帆有限元模型，即建立支撑臂一维梁单元与帆面二维三角形壳单元模型，设置材料参数与截面属性，施加预紧力，建立支撑臂与帆面连接节点约束；设置光压力载荷P，设置动力学分析的初始时间t0，最终时间tn与时间步长Δt以及所有节点的初始速度及加速度列向量v0与a0；对帆面二维三角形壳单元模型中的帆面单元进行统一单元编号，从1,2,…,p共p个单元；对太阳帆有限元模型中节点统一编号从1,2,…,q共q个节点；(2)进入第t个求解时刻，t从t0+Δt开始；(3)根据每个帆面单元与光压方向时刻的夹角，计算第t时刻、含预应力下的的每个帆面单元的刚度矩阵与质量矩阵，进而得到每个帆面单元的受光压面载荷；(4)根据步骤(3)的结果，得到含所有p个单元的总体刚度矩阵Kt与载荷列向量Ft，以及整体质量m和总体质量矩阵Mt；(5)根据第t‑Δt时刻的末位移、末速度、末加速度，即第t个时刻的初始条件，以及步骤(4)第t个时刻的总体刚度矩阵与载荷列向量以及总体质量矩阵，计算第t时刻的末位移、末速度、末加速；(6)开始进行第t+Δt时刻，重复步骤(3)～(5)，直至最终求解时间tn；(7)将(6)计算得到的时间历程下，太阳帆中心点所有时刻的末加速度，与现有的非时变光压力模型得到的瞬时有效推进加速度数值进行比较，并根据最后时刻末位移求得平均有效推进加速度，进而得到加速度的折损。...

【技术特征摘要】
1.确定有效推进加速度折损的太阳帆瞬态动力学分析方法，其特征在于步
骤如下：
(1)建立太阳帆有限元模型，即建立支撑臂一维梁单元与帆面二维三角形
壳单元模型，设置材料参数与截面属性，施加预紧力，建立支撑臂与帆面连接
节点约束；设置光压力载荷P，设置动力学分析的初始时间t0，最终时间tn与时
间步长Δt以及所有节点的初始速度及加速度列向量v0与a0；对帆面二维三角形
壳单元模型中的帆面单元进行统一单元编号，从1,2,…,p共p个单元；对太阳帆
有限元模型中节点统一编号从1,2,…,q共q个节点；
(2)进入第t个求解时刻，t从t0+Δt开始；
(3)根据每个帆面单元与光压方向时刻的夹角，计算第t时刻、含预应力
下的的每个帆面单元的刚度矩阵与质量矩阵，进而得到每个帆面单元的受光压
面载荷；
(4)根据步骤(3)的结果，得到含所有p个单元的总体刚度矩阵Kt与载
荷列向量Ft，以及整体质量m和总体质量矩阵Mt；
(5)根据第t-Δt时刻的末位移、末速度、末加速度，即第t个时刻的初始
条件，以及步骤(4)第t个时刻的总体刚度矩阵与载荷列向量以及总体质量矩
阵，计算第t时刻的末位移、末速度、末加速；
(6)开始进行第t+Δt时刻，重复步骤(3)～(5)，直至最终求解时间tn；
(7)将(6)计算得到的时间历程下，太阳帆中心点所有时刻的末加速度，
与现有的非时变光压力模型得到的瞬时有效推进加速度数值进行比较，并根据
最后时刻末位移求得平均有效推进加速度，进而得到加速度的折损。
2.根据权利要求1所述的确定有效推进加速度折损的太阳帆瞬态动力学分
析方法，其特征在于：步骤(7)中可以提取求解历程中太阳帆特征点位移与应
力数值，分析其瞬态动力学特性，确定最大变形。
3.根据权利要求1所述的确定有效推进加速度折损的太阳帆瞬态动力学分
析方法，其特征在于：所述步骤(3)具体实现步骤如下：
(3.1)从步骤(1)中建立的太阳帆有限元模型中读取第i个帆面单元的节
点初始坐标Ni＝(xi,yi,zi,αi,βi,γi,)；
(3.2)根据第i个...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨辰，刘宇飞，张兴华，王立，侯欣宾，
申请(专利权)人：中国空间技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11