柔性绳索缠绕捕获动力学研究
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摘要
随着航天技术的发展,在轨服务技术已成为航天高科技领域的一个研究热点,而机械臂末端执行器对目标载荷的成功捕获是其中的关键。对于绳索式末端执行器捕获动力学的研究难点主要有两方面:一是微重力环境下具有大柔性、大变形特性的绳索建模困难;二是捕获过程中复杂的非线性接触碰撞力较难描述。本文针对绳索式末端执行器缠绕及捕获卫星过程中的动力学问题,采用绝对节点坐标方法(ANCF)描述横观各向同性柔性绳索的缠绕运动,提出了提出ANCF缩减三维绳索单元;采用刚体动力学中的卡尔丹角来描述刚体卫星的姿态运动,并引入了绳索与目标间的非线性接触摩擦动力学模型,从而建立了包含末端执行器固定环和旋转环、绳索及被捕获卫星抓杆在内的刚柔耦合动力学数值分析模型。结合广义alpha法以及工程上常用的Scaling技术,利用Matlab开发了计算程序,实现了动力学方程的高效精确数值求解。计算结果表明,此模型能较好地模拟柔性绳索缠绕及捕获卫星的过程,同时给出捕获过程中卫星姿态的变化及绳索的运动和受力情况,为实际工程中捕获机构的设计和试验提供一定的参考依据。
引文