一种敷设MFC太阳翼帆板的有限元建模方法

本发明涉及柔性体仿真分析领域，具体地说是一种敷设mfc太阳翼帆板的有限元建模方法。

背景技术：

1、随着航空航天技术的发展，现在空间中运行的航天器都带有大型挠性设备，比如太阳能帆板这样的柔性结构。而这样的柔性结构随着被赋予的功能越来越重要，其尺寸也越来越大，呈现低阻尼、低刚度、大挠度的特点。这样的大型柔性结构在运行中不可避免地产生振动，太空中空气阻尼很小，因此若不进行主动控制，振动将持续很久。这会带来航天器控制精度降低、设备零件的疲劳损伤、对高精度设备产生干扰等等负面影响，因此航天器需要具有快速抑制振动的能力。在设计主动控制算法的过程中，需要对被控对象进行精确建模获取其运动学微分方程。为了解决敷设mfc的悬臂层合板的非线性大位移的运动学方程，提出了一种基于绝对节点坐标的建模方法和编程实现技术。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种敷设mfc太阳翼帆板的有限元建模方法，用于建立精确且计算复杂度较小的敷设mfc太阳翼帆板的运动学模型，作为对太阳翼帆板实验平台的补充，给太阳翼帆板主动抑振控制算法设计奠定基础，为验证算法有效性提供重要参考。

2、本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

3、一种敷设mfc太阳翼帆板的有限元建模方法,包括以下步骤：

4、步骤1：根据“向日葵”太阳翼帆板建立基板的初始模型，设置基板的边界条件；

5、步骤2：在matlab中划分基板单元，应用插值函数和柔性板理论定义基板单元模型；

6、步骤3：根据压电层合板mfc的结构和压电特性建立mfc的单元模型，包括传感器模型和致动器模型；

7、步骤4：在太阳翼帆板的初始模型中设置各个基板单元与其相邻基板单元的连接关系，以及mfc与基板的粘接条件；

8、步骤5：使用连接关系矩阵将所有单元模型整合为整体有限元方程，输入工况参数，并应用牛顿拉斐尔隐式积分求解，计算得出模型仿真结果。

9、所述悬臂板的边界条件为点约束、刚性约束和柔性部件。

10、所述基板为环氧树脂基板且各向同性料。

11、所述基板单元模型为四节点12自由度的一维四边形单元，四边形单元的每个顶点均具有在x、y、z三个方向上自由度。

12、所述mfc的结构为d33型mfc压电结构；所述和压电特性为压电本构方程。

13、所述基板单元模型包括两种形状：狭长单元和正方形单元；所述基板上设有两列横向的狭长单元队列，其他位置均布矩形单元；狭长单元的长与正方形单元边长相等，狭长单元的宽小于长。

14、所述狭长单元设置包括：根据mfc数量及在基板上的粘接位置设置狭长单元队列，所述狭长单元沿mfc横向中轴线方向依次排列构成狭长单元队列。

15、所述连接关系为力的传导关系，用于表征单元节点的力传导的连接矩阵，以及基板单元局部位移和模型整体位移之间力传导的关系布尔矩阵。

16、所述工况参数包括：点约束悬臂边界条件，初始位移场，材料属性。

17、本发明具有以下有益效果及有点：

18、1.本发明提出了一种敷设mfc太阳翼帆板的机电耦合有限元建模方法，给太阳翼帆板的主动控制算法设计奠定基础。

19、2.本发明所提的方法可为主动抑振算法提供快速验证平台。

20、3.本发明针对微重力低阻尼环境中太阳翼帆板这样的柔性结构进行过程仿真，可以拓展到对柔性空间结构的振动研究中。

技术特征：

1.一种敷设mfc太阳翼帆板的有限元建模方法，其特征在于,

2.根据权利要求1所述的敷设mfc太阳翼帆板的有限元建模方法，其特征在于,所述悬臂板的边界条件为点约束、刚性约束和柔性部件。

3.根据权利要求1所述的敷设mfc太阳翼帆板的有限元建模方法，其特征在于,所述基板为环氧树脂基板且各向同性料。

4.根据权利要求1所述的敷设mfc太阳翼帆板的有限元建模方法，其特征在于,所述基板单元模型为四节点12自由度的一维四边形单元，四边形单元的每个顶点均具有在x、y、z三个方向上自由度。

5.根据权利要求1所述的敷设mfc太阳翼帆板的有限元建模方法，其特征在于,所述mfc的结构为d33型mfc压电结构；所述和压电特性为压电本构方程。

6.根据权利要求1所述的敷设mfc太阳翼帆板的有限元建模方法，其特征在于,所述基板单元模型包括两种形状：狭长单元和正方形单元；所述基板上设有两列横向的狭长单元队列，其他位置均布矩形单元；狭长单元的长与正方形单元边长相等，狭长单元的宽小于长。

7.根据权利要求6所述的敷设mfc太阳翼帆板的有限元建模方法，其特征在于,所述狭长单元设置包括：根据mfc数量及在基板上的粘接位置设置狭长单元队列，所述狭长单元沿mfc横向中轴线方向依次排列构成狭长单元队列。

8.根据权利要求1所述的敷设mfc太阳翼帆板的有限元建模方法，其特征在于,所述连接关系为力的传导关系，用于表征单元节点的力传导的连接矩阵，以及基板单元局部位移和模型整体位移之间力传导的关系布尔矩阵。

9.根据权利要求1所述的敷设mfc太阳翼帆板的有限元建模方法，其特征在于,所述工况参数包括：点约束悬臂边界条件，初始位移场，材料属性。

技术总结
本发明涉及一种敷设MFC太阳翼帆板的有限元建模方法，包括：建立“向日葵”太阳翼帆板的初始模型，并在matlab中进行网格划分；在经过单元建模、链接条件、整体建模、设计求解器等环节后，输入相关工况参数，计算得出仿真结果。本发明可实现MFC压电层合板的压电建模，包括传感器建模和致动器建模，并将其与悬臂板有限元模型结合，针对空间太阳翼帆板整体压电层合板系统进行综合建模和过程仿真，在matlab软件上实现了太阳翼帆板实验平台，给太阳翼帆板主动抑振控制算法设计奠定基础，为验证算法有效性提供重要参考。

技术研发人员：骆海涛,李华东,刘子然,富佳,刘广明
受保护的技术使用者：中国科学院沈阳自动化研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12