大型复杂航天器在轨动力学关键技术与工程实践丨中国工程科学

大型环形结构可展开天线基频低、惯量大，是典型的柔性多体耦合系统。 相应展开过程涉及复杂的非线性动力学问题，精确反映天线展开过程中包含大变形和大转动在内的关键动力学特性是重点研究内容。 相应的多柔体系统建模方法包括绝对节点坐标法（ANCF）、几何精确方法（GEF）、共旋坐标方法，其中ANCF、GEF的应用相对广泛。基于连续介质力学和有限元方法提出的ANCF，相比传统的浮动坐标法、大转动矢量法等能够更精确地反映含超柔性构件、可展开空间结构的动力学特性，但计算效率和收敛性仍待提升；针对大口径环形天线展开动力学仿真，采用基于子系统分解的并行计算策略，有效提升了ANCF的计算效率，同时揭示了环形桁架展开时柔性反射器的动力学特性。由对大变形梁的几何精确描述发展而来的GEF，比同属于非线性有限元方法的ANCF方法所需自由度更少，因而拥有更高的计算效率。GEF进一步与任意拉格朗日（ALE）方法结合，可实现天线绳索与滑轮单面接触问题的高效求解，准确地反映了大型环形天线绳索展开过程中环境力、驱动力、摩擦接触、大柔性变形的耦合作用机制。然而，GEF的有限转动描述方式比较复杂，对数值计算方法的要求更高。 采用李群局部标架方法可以规避刚体运动导致的几何非线性问题，有助于提升上述多柔体计算方法的效率。