基于双层可展单元的空间伸展臂设计与分析

空间伸展臂广泛应用于航空航天领域。现有空间伸展臂的可展单元构型设计相对单一,所以提出了一种基于双层可展单元的空间伸展臂,设计制造空间伸展臂实物样机。通过多项式响应面法,建立起双层可展单元的基频代理模型。分析单元基频、折展比与单元基本结构参数之间的关系,得到了单元基频图谱和折展比图谱。通过Simscape进行伸展臂展开运动仿真,得到了伸展臂展开过程的运动特性和驱动特性,并通过伸展臂的地面展开试验进行验证。通过ANSYS进行伸展臂展开后的模态仿真和拉压、弯曲、扭转载荷下的静力学仿真,发现侧面拉索可以有效提升伸展臂的基频和静力学刚度。     

空间伸展臂折展单元展开运动特性分析

基于对国内外空间伸展臂机构研究状况分析,提出一种四棱柱型剪叉式空间伸展臂。在分析伸展臂工作原理的基础上,确定折展单元(剪叉单元)的构型特征,并基于螺旋理论求解伸展臂折展单元运动度,验证四棱柱型剪叉式空间伸展臂的运动单一性和折展稳定性。据此,分析空间伸展臂折展单元的几何特性,获得折展单元轴向展开运动规律线图,并利用所研制的原理装置在低重力模拟环境下完成伸展臂展开性能和重复展开精度测试,结果表明四棱柱型剪叉式空间伸展臂满足空间折展机构的功能需求。     

基于豆荚杆的三棱柱式可展开薄膜支撑臂设计与优化

大型可展开支撑臂具有广泛应用于空间任务的潜力,传统的可展开支撑臂主要采用的是合金材料,而可展开豆荚杆作为一种轻型复合材料会大大降低空间结构整体质量。结合薄膜天线的应用背景,提出一种基于豆荚杆的三棱柱式可展开薄膜支撑臂形式,并进行设计与优化。建立豆荚杆支撑臂的参数化模型,分析豆荚杆刚度参数与几何参数的关系,根据支撑臂设计目标函数分析选择豆荚杆截面参数。研究三棱柱式豆荚杆支撑臂动力学优化模型,对支撑臂单元数、框架管外径和厚度、斜拉索直径和预应力等进行优化设计,实现薄膜支撑臂最小质量基频比。分析绳索预应力和单元数量的优化结果,研究参数优化对支撑臂力学性能的提高作用。     

百米级多超弹性铰链抛物柱面天线折展机构设计与运动学分析

为了满足空间任务需要,对可折展薄膜天线应用需求非常迫切,且朝着大展收比、高精度化、轻质化的方向发展.提出一种百米级多超弹性铰链抛物柱面天线折展机构,该机构主要由超弹性铰链、三棱柱伸展臂、横向折展肋、同步铰链和索网组成;三棱柱伸展臂能够进行纵向折展,横向肋进行横向二次折展.该机构采用模块化设计,依靠横向和纵向分布的超弹性...     

一种仿生折展机构设计与应用研究

以合瓣高脚蝶形花冠的迎春花为例,对花朵开放过程中的展开过程进行提取,设计出一种能够实现折展功能的仿生折展机构,根据花瓣开放展开形态,并根据机构学概念,提出一种仿花瓣折展机构设计概念模型,通过机构构件运动副数目方程组和运用胚图法完成对七杆以下平面闭环机构的构型综合,并从中优选可用机构构型作为仿花瓣折展机构单元,对折展单元机构进行几何设计使其具备折展功能,以展开面积最大为目标函数,对折展单元机构进行尺度优化设计,使其具备更好的折展性能.最后,对此类仿生折展机构的实际工程应用进行了研究.     

空间双层过约束可展机构的设计与分析

折展机构以其优越的折展性能,广泛应用于航空航天以及建筑等领域。以基于等边Bennett机构拓展得到的6R机构与三重对称Bricard机构巧妙结合,得到了一种可折展的环状机构,建立了多种过约束机构的几何模型并改进了环状机构的理论模型。利用D-H参数法对改进组合机构进行了运动学分析,得到其运动特性。以可折展环状机构为基本组网单元搭建了大尺度单层空间折展机构;以拓展6R机构衍生的7R机构结合Sarrus机构设计了可折展的连接单元,与单层折展机构复合构建空间双层可展机构,并提出了空间多层折展机构的可能性。     

薄壁管状空间伸展臂技术综述

介绍了可收拢管状伸展臂(STEM)和可盘卷管状伸展臂(CTM)这两类薄壁管状空间伸展臂的工作原理,并调研了国内外基于该类伸展臂的典型应用,如空间并联机构、可展天线、太阳帆展开机构等。总结分析了薄壁管伸展臂结构与机构设计、仿真分析与试验、成型工艺等关键技术,并对我国在该技术领域的发展提出了开展新型展开机构研究、开展全面地仿真分析与试验、开展薄壁管基材研究、开展成型工艺研究等建议。     

空间可展机构弹性动力学特性研究

将多级剪刀机构与复式螺旋机构组合,提出了一种新型的径射状可展天线伸展机构。采用动力有限元法建立空间可展天线伸展机构的单支机构动力学模型,采用振型叠加法对该机构进行弹性动力学分析。分析后发现,各阶固有频率随展开角度的不断变大会发生交叉,得出了天线展开速度、结构参数对系统稳定性的影响规律。为研究可展机构振动稳定性条件提供必要的参考数据,并为该天线的伸展机构设计与结构参数优化提供了依据。     

空间多臂机构折展性及其结构配置设计

为提高空间多臂机构折展特性和操作特性等运动性能,通过多臂机构与操作物体可组成并联机构拓扑形式的设计思想,提出了一类具有折展特性和多种操作能力的空间多臂机构。定义了用于叠放折展支链的区域及策略,提出了折展支链的延伸性判别条件。基于指定区域的尺度限制,设计了具有不同自由度且满足特定叠放要求的折展支链。其次,以拓扑形式分解的方法将操作物体的工作模式进行分解表达,给出了多臂机构的结构配置形式。结果表明,基于所提方法,空间多臂机构可通过与操作物体自主释放与组合,改变拓扑形式,实现兼具折展性能和多种操作模式的设计目标。     

基于螺旋理论的三棱锥折展机构构型综合与组网

研究折展单元机构构型综合对于可展开天线机构创新设计具有重要意义。根据三棱锥折展单元机构多运动输出期望公共运动和期望同步运动自由度要求,基于螺旋理论约束综合法,完成机构公共运动和耦合同步运动支链的构型综合,获得了多种基本折展单元构型,并结合应用实际确定一种优选三棱锥折展单元机构。根据3RR-3RRR单元折展机构的组网方式和组网运动的要求,采用螺旋理论进行了运动副的构型设计和优化,综合出一种具有耦合自由度的高刚度三棱锥折展单元组网机构。所采用的构型综合方法实现了螺旋理论约束综合法在折展机构构型综合中的应用,为具有多运动输出部件耦合运动要求的机构综合研究提供参考。综合得到的机构适用于星载构架天线反射器等空间曲面支撑类机构应用需求,具有广泛的应用前景。     

一种剪式可展结构设计与动力学分析

针对机器人、空间结构等领域的应用,给出了一种三棱柱剪式可展结构的构型设计、传动方案设计及零部件详细设计。建立了考虑节点5个自由度的剪式铰单元有限元模型,对其刚度矩阵和质量矩阵进行了有效缩聚,减少了计算量;把剪式铰单元作为重复的子结构,建立了三棱柱剪式可展结构的有限元模型及其振动方程;在此基础上进行模态分析和仿真,得到前8阶固有频率及相应的振型曲线;并给出了三棱柱剪式可展结构的1阶固有频率随展开角的变化关系,为三棱柱剪式可展结构的优化设计和控制提供了依据。     

可展开固体反射面天线折展机构设计及分析

针对传统固面可展开天线中旁瓣绕双转轴独立折展造成的系统同步性差及可靠性低的问题，设计并分析了一种单自由度折展方案。首先提出了基于粒子群算法的收拢态位姿确定算法，结合等效轴角定理给出了单自由度旋转展开的参数确定方案；以相邻旁瓣运动轨迹为基础，结合变密度拓扑优化方法给出了反射器背架设计方案，分析结果表明本文所设计背架可使反射器热变形降低62.5%，基频提高了4倍，充分证明了背架设计的有效性。以一款10 m口径固面可展开天线为对象进行了折展机构设计，并分析了折展过程中运动学、动力学参数变化规律。基于螺旋理论对折展机构进行分析，得出了多种消极运动副引入方案，并最终选取RSPRR进行机构非过约束设计。分析结果表明，本文所述的固面可展开天线可以完成收拢态与展开态之间的切换，收纳率达到了0.384，折展过程平稳可靠，验证了该设计方案的可行性。同时，相关研究方法及结论可以为固面可展开天线的设计提供技术参考。     

可重构立方体机构的设计与运动模式分析

随着航空航天技术的飞速发展,大型空间折展机构的功能需求越来越多样化,具有多种展开模式的可重构可展机构应运而生。以可展立方体机构作为研究对象,介绍了其机构组成以及分层构造方法。通过分析立方体机构的相邻面单元间约束,绘制了面单元的机构简图,得到了面单元在正方形和长方形外轮廓下的几何约束条件。分析了三个相邻面单元的耦合运动情况,得到了三个面的可能运动模式,并在此基础上得到了立方体机构的可能运动模式。通过顶点连接、边连接、面连接,得到了两个立方体机构的组合机构,并开展了各种连接条件下的多模式分析。最后通过制作原理模型样机,搭建了边连接和面连接的立方体组合机构的典型构型,验证了理论分析的正确性。     

基于空间多面体向心机构的伸展臂设计研究

空间多面体向心机构是一类特殊空间可展机构,这类机构一般成球形或多面体形状,具有高度的对称性,通过铰链关节运动可以实现多面体机构的展开/收拢运动.本文在其结构和运动特点分析的基础上,进一步提出一种新型六面体机构.该机构由4个4腿运动链和一个十字滑块机构组成.利用螺旋理论对这种机构作自由度和奇异性分析.将这种机构运用于伸展臂的设计中,提出一种新型同步展开/收拢伸展臂机构,该机构的自由度是1.对这种伸展臂机构的运动学和动力学进行研究,推导出了其运动学和动力学方程,这有助于此伸展臂的分析设计,最后将理论计算结果与ADAMS计算结果进行比较,验证了运动学和动力学方程的正确性.本文的研究成果在航天领域有较好的应用前景.     

大型二维多折展开平面天线机构设计及动力学特性分析

随着空间对地观测范围和观测精度要求的不断提升,对大型平面可展开天线机构的需求越来越迫切.本文提出了一种全新的空间大型二维多折展开相控阵天线机构,对其进行了构型优选、结构设计及动力学特性分析.首先,建立了综合评价指标,优选出综合性能最优的天线整体构型方案.其次,对天线机构各部件进行了详细的结构设计,进行样机的研制与展开原理实验验证.最后,建立了天线机构的有限元模型,通过仿真得出了天线机构展开态前5阶振动频率及其对应的振型,并以系统频率变形比作为优化目标对各杆件截面参数进行优化.本文所设计的二维多折展开平面天线机构折展比达到17.6,提高了传统平面天线机构的折叠比;分子振动基频达到1.3339 Hz,实现了大型平面天线机构的高刚度支撑,为我国大型平面相控阵天线机构的研制提供了可行方案.     

索网桁架式可展开天线的多目标优化设计

针对太空索网桁架式可展开天线的结构特点和性能要求建立了天线的有限元分析模型,并对其结构进行了优化设计研究.以天线的刚性周边桁架壁厚和柔性索单元内施加的预应力为设计变量,结构重量和天线表面精度为目标函数,结构的基频为约束条件,建立了天线的多目标优化数学模型.考虑到索网结构几何非线性计算的复杂性,采用遗传算法对模型进行优化求解.通过算例分析,得到了不同权重值时的多目标优化解集,优化结果对于工程实践具有一定的指导意义,也同时证明了该模型与方法的可行性和有效性.     

双缝薄壁圆管超弹性铰链准静态折展优化

薄壁圆管超弹性铰链在天线、太阳翼展开中具有极大的潜在应用价值,但其参数化最优设计的问题仍然尚未完全解决,制约着它在宇航中的应用。基于响应面理论提出一种双缝薄壁超弹性铰链准静态折展优化方法。首先采用全因子法进行试验设计,建立双缝薄壁圆管超弹性铰链有限元模型进行准静态折展非线性弯曲分析以确定样本点,再采用响应面法建立其准静态折展性能数学模型。以铰链轻量化、准静态折展力矩最大为目标函数,对双缝薄壁圆管超弹性铰链进行参数化优化设计,得到折展力矩性能最佳结构参数。对最佳结构参数进行准静态折展分析,其性能参数误差在7%以内,表明了所建代理模型的准确性。最后,利用有限元仿真结果,对双缝薄壁圆管铰链缝体几何尺寸进行参数研究,结果显示缝长度和宽度对双缝圆管超弹性铰链折展力矩均具有重要影响,然而缝长度对折叠最大应力影响较为明显。提出了可应用于不同结构圆管超弹性铰链进行准静态折展优化的方法,对解决超弹性铰链设计的高稳定性、低应力、轻量化问题具有重要意义。     

剪刀机构环形阵列可展结构的运动学与动力学研究

通过分析剪刀单元之间几何参数的关系,得到单元尺寸和单元数量与展开和收拢半径之间的约束条件;针对可展结构的组成特点,提出将单元机构法与运动影响系数法相结合,建立可展结构的运动学分析方法;将运动影响系数法与虚功原理相结合,形成了可展结构的动力学分析方法。通过算例证实了所建立的运动学和动力学分析方法的有效性。     

圆柱形可展柔性结构高收纳比折叠展开方案

随着人类对太空的逐步探索,大尺度空间可展开结构的应用日益广泛,对高收纳比的需求日益迫切.面向在轨舱体需求设计圆柱形可展柔性结构,结合折纸技术提出了两阶段、多维度的结构折展方案.针对高收纳比的技术要求,设计的可展柔性结构先执行平面内径向折展,后执行空间纵向折展,该折展方案的收纳比可达到98.6％.基于一阶基频的需求,对可...     

基于直线驱动的空间可展机构运动分析

将直线机构与折纸机构相结合,设计出一种新型空间可展机构,并对其进行运动分析。运用抽象思维将筝形纸板的四条边线抽象为构件,将相邻边线间的拐点抽象为转动副,提出一种二自由度筝形七杆机构,采用几何证明的方式,对机构执行构件实现直线运动的条件进行研究,结合运动支链为末端执行构件提供约束的本质,通过引入平行约束的方式,设计得到多种单自由度筝形直线机构。以筝形直线机构为基础构造可展单元,阐述模块化组成筝形直线可展机构的原理和过程。根据三浦折纸机构的运动几何特性和面对称性,在运动学分析的基础上,提出一种通过改变对称面上共线等距点的间距来实现机构折展的驱动方式,经由筝形直线可展机构予以实现后,建立整体空间可展机构的虚拟样机模型,研究机构的运动干涉问题及其影响因素,绘制折展率性能图谱,得到了该空间可展机构的折展率随着板厚h的减小和切除长度c的增大而增大的结论,为机构的结构设计和工程应用提供参考依据。