【摘 要】
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空间对接动力学问题是典型的多体系统动力学问题,其建模方法一般采用牛顿—欧拉法或Lagrange乘子法。但由于对接过程是多次多点接触碰撞过程,导致系统自由度随时间变化,这意
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空间对接动力学问题是典型的多体系统动力学问题,其建模方法一般采用牛顿—欧拉法或Lagrange乘子法。但由于对接过程是多次多点接触碰撞过程,导致系统自由度随时间变化,这意味着对接动力学模型是一个变约束模型,即约束方程的个数是时变的。所以,无论是通过牛顿—欧拉法还是Lagrange乘子法得到的空间对接动力学模型都将是一组时变的微分—代数方程组。目前对于这类方程的处理需要使系统降维,但是,对于空间对接过程而言,对接机构的复杂性以及接触碰撞的不确定性,导致很难找到一组确定的广义坐标使方程降维,使得目前许多求解微分—代数方程的方法都无能为力。本文首先提出了多体系统动力学方程的求解原理及其求解步骤,然后采用零空间方法求解空间对接动力学方程。零空间方法主要是指通过一定的矩阵运算得到约束Jacobi矩阵的零空间,从而消除约束力,然后再经过一定的数学方法找到降维矩阵,使系统降维,从而求解原动力学方程。文中通过奇异值分解法求取零空间,并通过Gram-Schmidt正交化过程求得降维矩阵,将系统降维得到一组没有约束力的常微分方程组。最后通过Matlab仿真软件对对接动力学模型及零空间方法进行仿真验证,从对四组初始条件的仿真结果来看,可以证明对接动力学模型的正确性及零空间方法的有效性。
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