题目：基于现代设计理论的航天器机构动力学分析方法研究

随着现代航天器功能不断增多、构造日益复杂，需要采取各种机构来完成航天器的多种任务，机构已成为现代航天器中必不可少的重要组成部分。航天器机构通过实现各种动作或运动，使航天器或者其附件处于要求的工作状态或位置，因此其动力学性能的分析、验证与优化是机构研制过程中的重要任务。本文基于现代设计理论，应用数字化设计分析技术，对航天器机构动力学性能的确定性和随机性验证与优化方法进行了系统的研究，实现了对航天器机构动力学性能的综合评估与优化。根据航天器机构大型化、轻量化、髙精度化等特点，为考虑构件的大范围运动和构件柔性变形之间的耦合作用，研究了基于浮动坐标框架的航天器机构柔性多体系统动力学建模方法，着重对建模过程中浮动坐标框架的选择、柔性体的离散与动力学方程的建立、以及接触碰撞力学建模等问题进行了分析与推导，在保证计算效率的同时，提高分析结果的精度。由于航天器机构动力学输入条件复杂、运行工况多变，提出了基于计算机仿真实验技术的机构动力学性能评估方法。通过实验设计方法和响应面法对动力学输入参数进行灵敏度分析，并预测机构在给定的输入参数范围内，其动力学响应达到极值时的最劣工况，以便快速的验证机构动力学性能的指标符合情况，以及考察机构对运行条件的极限适应能力，从而通过较少的样本和较低的代价，对机构的动力学性能作出科学合理的评估。航天器机构动力学输入参数多、设计变量空间范围大、求解方程复杂，为此，研究了基于遗传算法的机构动力学优化方法，从而避免了传统的基于梯度的优化算法中的数学困难，并有利于在大范围的变量空间内进行全局寻优。同时，对于具有多个动力学性能指标的航天器机构，提出了机构动力学的多目标优化方法，并采用基于帕累托最优解集概念的多目标遗传算法实施优化过程，改善了机构的综合动力学性能，提高了机构对运行环境的极限适应能力。针对航天器机构运行环境严酷、可靠性要求高等特点，应用蒙特卡罗模拟研究了机构随机动力学响应和运行可靠度的计算方法，并给出了基于均值估计相对误差的蒙特卡罗模拟终止准则，在保证精度的前提下，提高了模拟效率。在此基础上，提出了航天器机构动力学稳健性优化方法，通过降低机构动力学响应对随机输入条件变化的敏感度，提高机构运行的可靠度和稳健性。提出了航天器机构动力学建模与仿真、动力学性能评估与优化一体化的集成方法和平台框架，研究了平台集成过程中的参数化建模与仿真、仿真流程集成以及仿真数据管理等技术，从而达到快速、高效的对机构实施动力学性能分析与优化的目的，并实现了数据重用与知识积累。基于上述理论与方法，以月球探测器软着陆机构为例，首先建立了机构着陆过程动力学仿真分析模型，并通过地面着陆冲击试验，验证了建模方法的正确性；基于动力学仿真模型，分别采用确定性与随机性方法，对机构动力学性能的指标符合情况以及着陆稳定的可靠度进行了验证；通过确定性的多目标优化方法以及稳健性优化方法，对机构着陆动力学性能进行了优化，提高了机构对着陆初始条件的极限适应能力，以及着陆稳定的可靠度和动力学性能的稳健性；最后开发了软着陆机构动力学仿真分析平台，实现了动力学性能仿真、验证与优化过程的自动化以及仿真数据的有效管理和重用。