柔性结构振荡分析：原理与应用

生产生活实践中很多机械系统带有柔性结构，如起重机、机械臂、航天器等。在柔性结构作用下，运动过程伴随着持续振荡。由于柔性结构通常具有较小的频率和阻尼，在机械运动结束后，还会表现出长时间的残余振荡。这种振荡对机械系统的操作性能、安全性和工作效率都有很大的影响［1］。因此，柔性结构的振荡迫使机械系统只能在低速下工作。

航天器在空间环境中越来越多地使用各种轻型柔性外伸机构，如天线、太阳能帆板、热辐射器和柔性机械臂等。这些柔性外伸机构可以看成是一种多自由度的开链机构，具有轻质量和小阻尼的特点。在这些机构的运动或者航天器姿态调整过程中，会激励柔性结构的振动模态。这些模态具有低频率和小阻尼的技术特点，一旦受到激励将产生大幅度长时间的振荡。这种振荡会影响航天器自身及精密仪器的正常工作，甚至会导致航天器失稳。因此，航天器柔性外伸机构的振动控制成为航天器设计的关键之一。

机器人在工业领域得到了广泛应用，它能实现柔性制造、自动化装配、焊接加工等重要的生产任务。新型机器人以柔性结构为主，具有质量轻和惯性小的特点。在机械臂执行运动的过程中不可避免地要产生弹性变形，运动结束时也会产生残余振荡。残余振荡不仅降低了机械臂的定位精度，还会影响机器人的可靠性、安全性和工作效率。(https://www.xing528.com)

起重机广泛应用于制造业、港口运输业和建筑业，为生产提供了最基本的搬运能力。这些起重机包括桥式起重机、塔式起重机和悬臂起重机等。起重机一般是使用钢丝绳吊挂被搬运的物体，通过提起和移动负载来完成运载任务。由于负责承重和抬升的钢丝绳属于柔性结构，起重机的移动必然会使吊挂的负载产生持续摆动。负载持续摆动严重影响和制约了运载系统的工作效率和操作性能，甚至引起运载危险。

以上三类机械系统都带有柔性结构，其特征是柔性结构会引起持续振荡。柔性结构的振荡控制在航天器、机器人和起重机等研究领域越来越引起人们的重视，如何快速有效地抑制柔性结构的振荡，是一个值得深入研究的问题。