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XX卫星热控百叶窗系统设计及虚拟样机协同仿真

赖一楠  
【摘要】: 本文以专为XX卫星设计的热控百叶窗系统为研究对象,重点进行总体方案设计、机构动力学建模、仿真控制系统设计与分析、模态谐响应分析和关键部件模糊可靠性优化设计的研究。具体内容如下: 首先根据XX卫星热控系统的任务要求,对目前国内外的众多热控方案进行了详细地分析和比较,并在充分论证的基础上,设计了具有布局紧凑、结构简单、重量轻、可靠性高、输出功率大和温度调节能力强等特点的拉杆联动+蜗杆传动式的电动百叶窗方案。 根据热控百叶窗驱动组件——两相混合式步进电动机的本体结构推导出步进电机的数学模型。在MATLAB的SIMULINK模块中建立了步进电机的开环和闭环控制系统模型。引入了角度反馈、速度反馈在内的综合校正方法,为进一步的与机械系统联合仿真,确定最终控制系统实现方案提供了合理的模型。 针对热控百叶窗机构特点,应用拉格朗日第二方程推导了该机构的动力学微分方程。分析了间隙、阻尼和弹性对百叶窗系统传动精度的影响,提出可行的方案来消除或者矫正这些影响,为虚拟样机构造提供了建模及参数设置依据。 利用ADAMS软件建立了热控百叶窗系统的机械系统动力学模型。将机械系统仿真同控制仿真有机地连接起来,创造一个从虚拟建模到系统仿真、控制等操作性较强的实现体系,对结构主要性能参数进行了最优化设计。确立了在物理样机设计中需要考虑的要点,为进一步设计出既满足卫星的热控制需要又尺寸合理、适于安装在卫星上的热控百叶窗机构提供了依据。 基于ANSYS软件建立了热控百叶窗系统有限元模型,对热控百叶窗系统的模态和谐响应进行了分析,为系统的整体实现方案提供重要设计参考。 结合虚拟仿真及模态谐响应的分析结果,对驱动部分的关键部件一蜗杆传动机构提出了基于带精英策略的非支配排序的遗传算法(NSGA-Ⅱ)的多目标模糊可靠性优化方法。在目标解的多样性及收敛性之间达到了更好的平衡。并应用ANSYS/PDS工具进行可靠性优化设计验证,为零件结构的可靠性分析提供了新的分析方法。 编制了热控百叶窗系统协同仿真分析软件,通过调用MATLAB/Simulink工具箱及虚拟样机软件ADAMS来完成实时修改设计参数、动态观察仿真过程、快速处理仿真结果,实现协同仿真功能。


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