热载荷下飞行器结构的变刚度主动控制技术研究

This project is a basic application research focuses on smart structure active control of thin spacecraft structures thermal variable stiffness. By using SMA and PZT to design shaping actuators, distributed adaptive active control of thermal variable stiffness structures static stiffness and dynamic equivalent modal stiffness is further studied. Through the constitutive relations of SMA/PZT actuators in the pneumatic- dynamics- thermal- electricity- elasticity multi-energy fields, the nonlinear system models of thin spacecraft thermal variable stiffness laminated structures are proposed. Control forces/moments functional matrixes of distributed actuators based on discrete surface domain are established. Optimization strategy analysis method of thin aircraft structure static stiffness control will be presented. A general smart element numerical simulation method of dynamic closed-loop active control based on smart structure modal equivalent thermal variable stiffness is proposed. Distributed shaping actuators are further considered, non-uniform control forces/moments can produced by shaping actuators. Thermal modal equivalent stiffness precision control effects of the space vehicle structures with different motions and dynamic temperature fields are improved. This project have great research value to improve the safety reliability, the control precision and intelligent level of spacecraft.

本项目是对飞行器结构热变刚度问题进行智能结构主动控制的基础应用研究。通过采用形状记忆合金（SMA）和压电陶瓷（PZT）设计成型式作动器，对热变刚度结构进行静态刚度及等效模态动刚度的分布式自适应主动控制问题进行深入研究。通过探讨热-动-电-弹性多个能场耦合下SMA/PZT材料作动器的本构关系，得到飞行器热变刚度层合结构非线性系统模型；建立基于离散面域的分布式作动器的控制力/力矩函数矩阵，提出薄壁飞行器结构静态刚度控制的优化策略分析方法；提出一种可以对智能结构的模态等效热变刚度进行动态闭环主动控制的智能元数值仿真分析方法；在此基础上进行分布成型式（shaping）作动器的研究，产生非均匀控制力/力矩；从而提高处于不同运动姿态及动态温度场下的空间飞行器结构的热模态等效刚度精密控制效果。本项目对提升空间飞行器的安全可靠性，提高飞行器的控制精度和智能化水平具有极其重要的研究价值。

本课题通过分析飞行器外包结构在热载荷下刚度变化情况，利用智能材料设计新型刚度主动控制作动器对飞行器在气动热载荷作用下结构刚度变化进行适应性主动控制。本文对飞行器代表性外包结构在热载荷下的刚度变化主动控制进行研究，具体包括以下几个方面。.构建回转曲面壳体结构智能元数学模型，建立混合程序仿真系统对模型进行求解。基于通用薄壳理论，建立了圆环壳结构动力学模型。利用有限差分法将其转化为包含控制项的智能元矩阵模型。在圆环壳结构的基础上增加轴向维度，对圆柱壳结构进行周向与轴向差分，考虑温度影响，得到热载荷下圆柱壳智能元矩阵模型。基于圆环、圆柱壳结构智能元矩阵模型，采用C++与MATLAB建立了混合程序仿真系统。以余弦式布置压电圆环壳和两端简支圆柱壳为算例，分别对模型进行求解。经过时域与频域仿真后，得到了结构在受控前后的模态特性。与理论值对比，验证了智能元矩阵模型与混合程序仿真系统的有效性。.设计与优化形状记忆合金（SMA）刚度主动控制作动器。基于圆柱壳智能元模型构成与混合程序仿真所得圆柱壳结构模态特性，设计了SMA驱动的轴向直线型和螺旋式刚度主动控制作动器。使用有限元仿真对具有不同构型参数的作动器作动前后圆柱壳结构静力学特性与模态特性进行仿真，分析结果后对作动器构型参数进行了优化，得到了具有最佳构型的作动器设计方案。.基于作动器最优设计方案，进行了悬臂板和圆柱壳刚度主动控制实验。对SMA驱动源进行力学性能测试后，对不同加热时间条件下结构刚度主动控制系统的模态特性实验结果进行了记录与分析，验证了本文所推导的结构刚度主动控制理论模型与仿真计算结果的正确性，证明了作动器对圆柱壳结构刚度控制的有效性。