دانلود پایان نامه ارشد :مدل­سازی دینامیکی و کنترل ارتعاشات ماهواره با صفحات خورشیدی انعطاف­پذیر

دانلود متن کامل پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد رشته مهندسی هوافضا

گرایش :دینامیک پرواز و کنترل

عنوان :مدل­سازی دینامیکی و کنترل ارتعاشات ماهواره با صفحات خورشیدی انعطاف­پذیر

دانشکده مهندسی هوافضا

پایان نامه دوره کارشناسی ارشد مهندسی هوافضا

گرایش دینامیک پرواز و کنترل

مدل­سازی دینامیکی و کنترل ارتعاشات ماهواره با صفحات خورشیدی انعطاف­پذیر

استاد راهنما:

دکتر عبدالمجید خوشنود

بهمن 1393

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده درج نمی شود

تکه هایی از متن به عنوان نمونه :

***ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل و با فرمت ورد موجود است***

متن کامل را می توانید دانلود نمائیدچون فقط تکه هایی از متن پایان نامه در این صفحه درج شده (به طور نمونه)

ولی در فایل دانلودی متن کامل پایان نامه با فرمت ورد word که قابل ویرایش و کپی کردن می باشند موجود است

چکیده

در طی یک مانور توسط یک ماهواره، صفحات خورشیدی انعطاف­پذیر آن تحریک شده و شروع به نوسان می­کنند. این ارتعاشات باعت پدید آمدن نیروهای اغتشاشی نوسانی می­گردند که به بدنه صلب ماهواره نیز اعمال می­گردد. ارتعاشات ایجاد شده علاوه بر امکان به وجود آمدن ترک و در نتیجه شکست در صفحات خورشیدی بر اثر پدیده خستگی، بر روی بدنه صلب که در حال انجام کارهای دقیقی نظیر عکس­برداری از سطح زمین و یا ارسال اطلاعات به پایگاهی در زمین است، اختلال ایجاد می­کند در نتیجه لازم است که از آن جلوگیری به عمل آید. در این پایان نامه ، ابتدا معادلات دینامیکی یک ماهواره شامل یک قسمت صلب مکعب­شکل و دو صفحه انعطاف­پذیر استخراج شده است. سپس با استفاده از ترکیب نرم­افزار ANSYS و ADAMS بر روی مدل مذکور یک آنالیز دینامیکی انجام گرفته است و نتایج با مدل تحلیلی مقایسه شده است. استراتژی کنترلی جدیدی برای کاهش ارتعاشات اجزاء انعطاف­پذیر در سیستم­های چندجسمی شامل اجزاء صلب و انعطاف­پذیر ارائه شده است به این صورت که با حذف نوسانات از روی سرعت زاویه­ای قسمت صلب، دامنه ارتعاشات اجزاء انعطاف­پذیر کاهش می­یابد برای این منظور از یک سیستم کنترل تطبیقی و فیلتر باریک برای حذف نوسانات حاصل از ارتعاشات صفحات خورشیدی در فرآیند اندازه­گیری استفاده شده است. در انتها نتایج حاصل از شبیه­سازی سیستم کنترلی تطبیقی یک بار با در نظر گرفتن پدیده تشدید و بار دیگر بدون در نظر گرفتن آن آورده شده است و مزیت­های این روش مورد بررسی قرار گرفته است.

فهرست مطالب

فصل اول مقدمه 1

1- مقدمه 2

1-1- تاریخچه موضوع  4

فصل دوم مدل سازی دینامیکی  11

2- مدل سازی دینامیکی  12

2-1- مدل سازی سیستم های چند جسمی با اجزاء صلب- انعطاف پذیر  15

2-1-1 دیدگاه انباشتگی  15

2-1-2- مدل سازی تعاملی صلب- انعطاف پذیر  18

2-2- معادلات لاگرانژ در حالت شبه مختصات   23

2-2-1- انگیزه روش شبه مختصات   23

2-3- مدل سازی دینامیکی ماهواره با صفحات انعطاف پذیر  26

2-3-1- مدل تحلیلی  26

2-3-2- مدل در نرم افزار ADAMAS  41

فصل سوم کنترل ارتعاشات   46

3- کنترل ارتعاشات   47

3-2- کنترل تطبیقی  49

3-2-1- سیستم های تطبیقی مدل- مرجع  52

3-3- روش های شناسایی فرکانس خمشی  54

3-3-1- روش مدل مرجع بر مبنای گرادیان  54

3-3-2- روش کمترین مربعات بازگشتی برای شناسایی فرکانس   56

3-3-3- الگوریتم ترکیبی مدل مرجع و بازگشتی  56

3-4- کنترل ارتعاشات به وسیله شناسایی فرکانس   58

فصل چهارم پیشرانش فضایی  60

4- پیشرانش فضایی  61

4-1- دسته بندی سیستم های پیشرانش   61

4-1-1- پیشرانش شیمیایی  61

4-1-2- سیستم های پیشرانش مایع تک مولفه ای   63

4-1-3- سیستم های پیشرانش مایع دو مولفه ای   64

4-1-4- سیستم های سوخت جامد 65

4-2- مقایسه گزینه های موجود برای سیستم پیشرانش ماهواره ها 65

4-1- پیکربندی تراسترها 70

فصل پنجم نتایج شبیه سازی  72

5- نتایج شبیه سازی  73

5-1- مشخصات پارامترهای مدل  73

5-2- مدل سازی دینامیکی  73

5-3- کنترل ارتعاشات   75

فصل ششم نتیجه گیری و پیشنهادات   88

6- نتیجه گیری و پیشنهادات   89

6-1- نتیجه گیری   89

6-2- پیشنهادات   91

7- ضمیمه 93

7-1- دینامیک تحلیلی  93

7-1-1- مقدمه  93

7-2- قابلیتهای دینامیک تحلیلی  93

7-3- تعریف مجموعه کامل  94

7-4- تعریف مجموعه مستقل  94

7-5- تعریف درجه آزادی   94

7-6- قیود 95

7-6-1- فرم دیفرانسیلی در حالت کلی  95

7-7- تعریف تغییرات در حساب تغییرات   95

7-8- نیروهای پایستار  97

7-9- معادلات لاگرانژ برای سیستم های مقید 98

7-10- استخراج معادلات جسم صلب با استفاده از روش لاگرانژ  99

7-11- روش همیلتون  99

7-12- معادلات همیلتون  100

8- فهرست مراجع  103

 فهرست جداول

جدول ‏2‑1نیروی آیرودینامیکی برخی از اشکال هندسی ساده 36

جدول ‏2‑2نیروی تشعشع خورشیدی برخی از اشکال هندسی ساده 40

جدول ‏4‑1مزایا و معایب سیستمهای پیشرانش شیمیایی و الکتریکی. 65

جدول ‏5‑1مشخصات پارامترهای بدنه صلب ماهواره 73

جدول ‏5‑2مشخصات پارامترهای صفحات خورشیدی.. 73

فهرست شکل­ها

شکل ‏2‑1نحوه تعریف بردارهای جابجایی در اجسام انعطاف پذیر. 14

شکل ‏2‑2بلوک دیاگرام روش مدل سازی تعاملی صلب- انعطاف پذیر. 22

شکل ‏2‑3مدل ساده ماهواره به همراه دستگاه بدنی. 26

شکل ‏2‑4نیروی گرانشی اعمالی بر المان جرمی. 32

شکل ‏2‑5برخورد فوتون های نور با سطح ماهواره 38

شکل ‏2‑6نیروی حاصل از تشعشع خورشید بر سطح ماهواره 38

شکل ‏2‑7مدل ماهواره با صفحات الاستیک در نرم افزار ADAMS. 42

شکل ‏2‑8صفحه مش بندی شده 43

شکل ‏2‑9تغییر شکل صفحه در مود خمشی. 44

شکل ‏2‑10مدل ماهواره در نرم افزار ADAMS. 45

شکل ‏3‑1نمودار بود یک فیلتر باریک… 48

شکل ‏3‑2نمایی از سیستم کنترلی. 49

شکل ‏3‑3 نمودار بلوکی سیستم تطبیقی مدل- مرجع. 53

شکل‏3‑4 نمایی از سیستم کنترل تطبیقی مدل مرجع. 59

شکل ‏4‑1 پالس مدولاتور PR. 68

شکل ‏4‑2 پالس مدولاتور PWPF. 68

شکل ‏4‑3 نمایش مکان تراسترها بر روی ماهواره 71

شکل‏5‑1 مقایسه جابجایی نوک صفحه خورشیدی انعطاف پذیر بین مدل تحلیلی و نرم افزار ADAMS. 74

شکل‏5‑2مقایسه سرعت زاویه ای کانال پیچ بدنه صلب ماهواره بین مدل تحلیلی و نرم افزار ADAMS. 74

شکل‏5‑3 مقایسه سرعت زاویه ای کانال پیچ بدنه صلب ماهواره با استفاده از حلقه کنترلی شامل فیلتر باریک و بدون استفاده از آن  75

شکل ‏5‑4مقایسه جابجایی نوک صفحه خورشیدی انعطاف پذیر با استفاده از حلقه کنترلی شامل فیلتر باریک و بدون استفاده از آن  76

شکل‏5‑5 مقایسه سرعت زاویه ای کانال پیچ بدنه صلب ماهواره با استفاده از حلقه کنترلی شامل فیلتر باریک و بدون استفاده از آن در حالت تشدید 77

شکل‏5‑6مقایسه جابجایی نوک صفحه خورشیدی انعطاف پذیر با استفاده از حلقه کنترلی شامل فیلتر باریک و بدون استفاده از آن در حالت تشدید 77

شکل‏5‑7 روند همگرایی الگوریتم شناسایی فرکانس صفحه انعطاف پذیر. 78

شکل‏5‑8سرعت زاویه ای کانال پیچ بدنه صلب ماهواره با استفاده از کنترل تطبیقی شامل الگوریتم شناسایی و فیلتر باریک    78

شکل‏5‑9 مقایسه سرعت زاویه ای کانال پیچ با استفاده از کنترل تطبیقی شامل الگوریتم شناسایی و فیلتر باریک و بدون استفاده از آن  79

شکل ‏5‑10مقایسه جابجایی نوک صفحه خورشیدی انعطاف پذیر با استفاده از کنترل تطبیقی شامل الگوریتم شناسایی و فیلتر باریک و بدون استفاده از آن. 80

شکل ‏5‑11 روند همگرایی الگوریتم شناسایی فرکانس صفحه انعطاف پذیر در حالت تشدید 81

شکل‏5‑12مقایسه سرعت زاویه ای کانال پیچ با استفاده از کنترل تطبیقی شامل الگوریتم شناسایی و فیلتر باریک و بدون استفاده از آن در حالت تشدید 81

شکل ‏5‑13مقایسه جابجایی نوک صفحه خورشیدی انعطاف پذیر با استفاده از کنترل تطبیقی شامل الگوریتم شناسایی و فیلتر باریک و بدون استفاده از آن در حالت تشدید 82

شکل‏5‑14 گشتاور عکس العمل حاصل از تراستر بر روی بدنه صلب ماهواره 83

شکل ‏5‑15گشتاور عکس العمل حاصل از تراستر به صورت جزئی تر بر روی بدنه صلب ماهواره 83

شکل‏5‑16 مقایسه سرعت زاویه ای کانال پیچ بدنه صلب ماهواره با استفاده از حلقه کنترلی شامل فیلتر باریک و بدون استفاده از آن با عملگر تراستر. 84

شکل‏5‑17 مقایسه جابجایی نوک صفحه خورشیدی انعطاف پذیر با استفاده از حلقه کنترلی شامل فیلتر باریک و بدون استفاده از آن با عملگر تراستر. 84

شکل‏5‑18 گشتاور عکس العمل حاصل از تراستر بر روی بدنه صلب ماهواره 85

شکل‏5‑19گشتاور عکس العمل حاصل از تراستر به صورت جزئی تر بر روی بدنه صلب ماهواره 85

شکل‏5‑20 روند همگرایی الگوریتم شناسایی فرکانس صفحه انعطاف پذیر با عملگر تراستر. 86

شکل‏5‑21مقایسه سرعت زاویه ای کانال پیچ با استفاده از کنترل تطبیقی شامل الگوریتم شناسایی و فیلتر باریک و بدون استفاده از آن با عملگر تراستر. 86

شکل‏5‑22مقایسه جابجایی نوک صفحه خورشیدی انعطاف پذیر با استفاده از کنترل تطبیقی شامل الگوریتم شناسایی و فیلتر باریک و بدون استفاده از آن با عملگر تراستر. 87

فهرست علایم و نشانه‌ها

 

عنوانعلامت اختصاری
انرژی میرایی صفحات (J)
مدول الاستیسیته ( )
ممان اینرسی ( )
ضخامت صفحات (m)
انرژی جنبشی ماهواره (J)
گشتاور وارده از محیط (N.m)
گشتاور کنترلی (N.m)
انرژی پتانسیل ناشی از خاصیت ارتجایی صفحات (J)
جابجایی الاستیک صفحات (m)
مختصات تعمیم یافته مربوط به نوسان صفحات (m)
زاویه یاو (rad)
ضریب فراموشی الگوریتم شناسایی فرکانس
ضریب پواسون
ضریب دمپینگ صفحه
چگالی صفحه ( )
زاویه رول (rad)
شکل مود ارتعاشی صفحات
زاویه پیچ (rad)
سرعت زاویه­ای بدنه (rad/s)
ماتریس پادمتقارن سرعت زاویه­ای
فرکانس طبیعی صفحات ( )

1- مقدمه

صفحات خورشیدی در ماهواره­ها به طور گسترد­ه­ای در انجام جذب انرژی خورشید مورد استفاده قرار می­گیرند. از این انرژی برای ایجاد انرژی لازم برای در مدار باقی ماندن ماهواره­ها استفاده می­شود. این انرژی به ماهواره سرعت لازمه مورد نیاز برای در مدار باقی ماندن را می­دهد. ماهواره­ها تا زمانی که انرژی لازم برای داشتن سرعت لازمه در حرکت بر روی مدار را داشته باشند می­توانند در مدار مورد نظر خود حرکت کنند. به محض این که این انرژی به پایان برسد، ماهواره از مدار خارج شده و در حرکتی مارپیچی شکل به داخل جو زمین آمده و سقوط می­کنند. طراحی این صفحات خورشیدی کاری دقیق و با تکنولوژی بالا محسوب می­شود. اغلب صفحات خورشیدی موجود به طریقی طراحی و ساخته می­شوند که سختی لازم را دارا باشند تا قسمت اصلی ماهواره بتواند با حداقل ارتعاشات به موقعیت نهایی مطلوب خود برسد.  البته این سختی نباید با استفاده از طراحی­های سنگین و حجیم به­دست آید. چرا که، وجود صفحات خورشیدی صلب سنگین، باعث افزایش وزن کلی ماهواره خواهد شد. از طرف دیگر، وجود اجزا انعطاف­پذیر بر روی ماهواره­ها مانند صفحات خورشیدی، بازوهای بلند یک ربات فضایی و یا میله آنتن مخابراتی یک ماهواره، منجر به در نظر گرفتن تمهیداتی برای مقابله با اثرات انعطاف­پذیری می­گردد. به عنوان مثال اگر دوربین تعبیه شده بر روی بدنه ماهواره قصد گرفتن عکس از زمین را داشته باشد، ارتعاشاتی که از صفحات خورشیدی بر روی بدنه ماهواره تاثیر می­گذارند، مانع از گرفتن عکسی با کیفیت بالا از سطح زمین خواهند شد. سیستم­های چندجسمی شامل اجزا صلب و انعطاف­پذیر، از نظر دینامیکی شامل اجزاء پیوسته­ای هستند که از معادلات دیفرانسیل معمولی و جزئی جفت شده و غیرخطی تبعیت می­کنند. حل تحلیلی چنین سیستم­هایی تقریباً امکان­پذیر نمی­باشد. مشکل اصلی این سیستم­ها، مسئله ارتعاش عضوهای انعطاف­پذیر به دلیل سختی کم آنها می­باشد. روش­های متفاوتی برای مدل­سازی سیستم­های دینامیکی انعطاف­پذیر ارائه شده است. مدل­های ریاضی چنین سیستم­هایی عموماً از قضایای انرژی استخراج می­شوند. برای یک جسم صلب ساده، انرژی جنبشی براساس سرعت­های خطی و دورانی و همچنین انرژی پتانسیل براساس موقعیت مراکز جرم در میدان جاذبه بیان می­شود. در دینامیک اجسام چند جسمی، یک دستگاه اینرسی به عنوان دستگاه مرجع کلی برای تشریح حرکت یک سیستم چندجسمی به کار می­رود. همچنین یک دستگاه واسطه که به هر یک از اجزاء انعطاف­پذیر متصل است که جابه­جایی­ها و چرخش نسبی جسم را تعقیب می­کند. حرکت نسبت به این دستگاه واسطه نوعاً فقط به دلیل تغییر شکل جسم می­باشد. این انتخاب محاسبات نیروهای داخلی را ساده می­سازد، چرا که اندازه تنش­ها و کرنش­ها تحت حرکت جسم صلب تغییر نمی­کنند. همانند تانسور تنش کوشی و تانسور کرنش کوچک که می­تواند برای محاسبه نیروها نسبت به دستگاه واسطه مورد استفاده قرار بگیرد. این تانسورها منجر به یک نیروی خطی در این جابجایی نسبی می­شوند. نوع عمده از دستگاه واسطه که مورد استفاده قرار می­گیرند دستگاه شناور خوانده می­شوند. دستگاه شناور، حرکت جسم اصلی از ذره یا مولفه انعطاف­پذیر داخلی را تعقیب می­کند. یکی دیگر از روش­های مدل­سازی دینامیکی اجسام چندجسمی شامل اجزاء صلب و انعطاف­پذیر استفاده از ویژگی­های نرم­افزارهای ANSYS و ADAMS به طور همزمان است. نرم­افزار ANSYS با استفاده از روش المان محدود قادر به انجام آنالیز ارتعاشی و نرم­افزار ADAMS توانایی حل معادلات دینامیکی صلب و انعطاف­پذیر را در یک محیط داراست. با ترکیب این دو نرم­افزار قادر خواهیم بود با دقت بالایی مختصات تعمیم­یافته مورد نظر را به­دست آوریم. در بخش کنترل چنین سیستم­هایی با چالش­های بسیاری مواجه هستیم به این ترتیب که در اثر خیز الاستیک اجزای انعطاف­پذیر، سنسورهای اندازه­گیری دستگاه ناوبری مقادیر خطاداری را نشان می­دهند که حلقه کنترلی در مواجهه با این اثرات دچار عملکرد نامطلوب می­گردد. برای جلوگیری از این مشکل یکی از بهترین استراتژی­ها حذف نوسانات از روی اندازه­گیری­ها با استفاده از فیلترهای باریک و سیستم­های تطبیقی می­باشد. به این ترتیب می­توانیم با استفاده از کنترلرهایی ساده، سیستم­های دینامیکی پیچیده را به راحتی کنترل کنیم. نبود سنسور بر روی اجزاء انعطاف­پذیر دیگر چالش پیش روی است. برای حل این مسئله می­توانیم از اثرات ارتعاشی که اجزاء انعطاف­پذیر بر روی اجزاء صلب می­گذارند استفاده کنیم.

در این مقاله ابتدا به مدل­سازی دینامیکی یک ماهواره که شامل یک بدنه صلب مرکزی و دو صفحه انعطاف­پذیر می­پردازیم. مدل­سازی دینامیکی ابتدا با استفاده از روش لاگرانژ در حالت شبه­مختصات و سپس با استفاده از دو نرم­افزارهای ANSYS و ADAMS انجام گرفته است. در بخش کنترلی نیز از یک سیستم تطبیقی مدل مرجع و فیلتر باریک برای حذف ارتعاشات بر روی سرعت زاویه­ای بدنه صلب ماهواره استفاده شده است. در نهایت نتایج شبیه­سازی این کنترلر آورده شده و مزیت­های آن مورد بررسی قرار گرفته است.

تعداد صفحه :118

قیمت : 14000 تومان

 

 

بلافاصله پس از پرداخت ، لینک دانلود به شما نشان داده می شود

و به ایمیل شما ارسال می شود.

پشتیبانی سایت :        09309714541 (فقط پیامک)        info@arshadha.ir

در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.

--  -- --

مطالب مشابه را هم ببینید

فایل مورد نظر خودتان را پیدا نکردید ؟ نگران نباشید . این صفحه را نبندید ! سایت ما حاوی حجم عظیمی از پایان نامه های دانشگاهی است. مطالب مشابه را هم ببینید. برای یافتن فایل مورد نظر کافیست از قسمت جستجو استفاده کنید. یا از منوی بالای سایت رشته مورد نظر خود را انتخاب کنید و همه فایل های رشته خودتان را ببینید