考虑扭簧失效的桁架式可展开天线可靠性研究

利用故障树理论建立桁架式可展开天线失效模型,在此基础上,采用概率理论推导出天线系统失效概率方程,利用动力学理论建立桁架式可展开天线展开分析方程,对不同位置处扭簧失效时天线的展开过程进行分析,进而得出扭簧失效时使天线无法完全展开或使其展开形面精度很差的扭簧位置和失效后对天线展开及其展开形面精度基本没有影响的扭簧位置;将此分析结果引入可靠性分析中,可以使可展桁架天线的可靠性分析更准确.通过一个算例计算了桁架式可展开天线的可靠度,得其可靠度为0.999 787 571.     

固面天线可展开机构设计及动力学分析

为解决抛物面式固体反射面天线收拢率及主反射面形面精度较低问题,根据天线面板的运动形式,设计一种固面天线可展开机构.基于机构位置矢量方程,利用向量封闭投影法,结合D-H坐标变换矩阵建立可展机构拉格朗日动力学模型,用MATLAB编程求解机构运动过程驱动力并分析运动学参数对驱动力的影响;利用Workbench软件分析天线收拢和展开状态下基频及阵型,采用Design Exploration优化模块中响应面法分析结构参数对可展机构基频的影响和参数灵敏度;研制天线原理样机并进行展开功能试验和模态测试,对天线展开功能和结构动力学分析进行验证.结果表明:可展机构翻转比展开过程驱动力大很多,减小输入速度、调整球铰位置和减小初始夹角能降低机构翻转过程驱动力;收拢和展开状态下天线基频满足设计要求,支撑杆尺寸参数对可展机构基频影响比切换连杆大,但可增加切换连杆尺寸参数适当提高机构基频;可展机构可重复实现天线展开功能,展开状态下天线基频和阵型与分析结果接近,具备很好的结构动力学性能.     

周边桁架可展开天线展开过程运动分析及控制

根据周边桁架式可展开空间天线的结构特点,先建立周边单元浮动坐标系,采用坐标变换方法,得出了周边单元间的运动变换关系,建立了该天线通用的展开过程运动分析模型,可分析展开过程中结构上任意点的位置、速度和加速度．为避免展开过程中冲击过大,对周边单元的展开速度进行规划．根据驱动绳索的运动与单元展开运动之间的变换关系,将周边单元的运动规划转化为展开绳索的运动控制,对天线的展开实施位置控制．仿真实例表明该控制方法可使天线按照规划的展开角变化规律平稳展开．     

星载可展开天线的展开动力学研究

针对星载可展开天线柔性较大的特点,综合考虑天线的分布参数、集中参数及摩擦力等因素对系统动特性的影响。在严格按照运动学合成原理的基础上,采用有限元法与拉格朗日方程建立了可展开天线的运动微分方程。并求得了某星载可展开天线的展开动力响应,讨论了此天线动力分析中的若干关键问题。     

桁架式可展开天线精度计算方法

为了建立单元尺寸与反射面精度的关系模型来指导天线结构设计,分别用单元上取点、应用于球体及抛物面的浅壳理论推导了3种不同的误差计算方法,并进行了对比.用基于PhotoModeler软件建立的非接触摄像测量系统,对口径为2 m的天线模型进行了反射面精度测试及展开重复精度试验,将试验结果与误差的理论计算方法进行对比,验证了应用于抛物面的浅壳理论推得的公式估算反射面精度更精确,应用于球体的浅壳理论推得的公式使用方便,计算结果与应用于抛物面的线壳理论公式所得结果较接近,单元上取点推得的精度计算公式可以用来估算拟合抛物面的拟合焦距,指导天线调焦机构的设计.     

Bennett单元阵列可展机构的动力学分析

为分析Bennett单元阵列可展机构的几何特性、运动学特性和动力学特性,建立通用的Bennett单元阵列可展机构的运动学和动力学分析模型.采用拆解法将Bennett单元阵列可展机构中的单元机构分成4个空间串联开链机构;根据开链机构的特性,引入坐标变换法结合螺旋理论建立Bennett单元阵列可展机构的运动学分析模型,用虚功原理法将各空间串联开链机构组装在一起,构建动力学分析模型和动力学分析方法;以4×4 Bennett单元阵列可展机构为例分析其运动学和动力学,并用仿真和实验来验证所建立的动力学分析模型和动力学分析方法.结果表明:算例中的Bennett单元阵列可展机构在其运动范围内运动平稳,对角线上的单元机构距离驱动单元愈远,其驱动角的角速度和角加速度变化范围越大.广义力矩的变化比较平缓,在其运动范围内不会引起较大冲击.仿真结果、实验结果与运动学和动力分析模型计算结果吻合较好,说明该运动学和动力学分析模型和方法是准确的,可以用来指导Bennett单元阵列可展机构的构型设计、轨迹规划和动力系统参数的选定等.     

一种径向可展开机构的结构及运动学分析

根据一种径向可展开平面多杆机构的结构几何关系,推导了成角构件组成的剪式单元铰接点的轨迹方程,分析了铰接点沿径向运动时剪式单元中的结构约束条件,建立了剪式结构单元的运动学方程．然后采用坐标变换方法建立了可展开机构展开过程的运动学模型,揭示了这种可展开机构一些新的特性,包括最大展开范围条件和成角构件结构间的关系．通过分析机构中所有铰接点均沿径向运动的特例,建立了多层可展开机构的结构关系及运动学模型．仿真实例表明了该运动学分析的正确性．     

构架式可展开天线工作表面母线拟合方法

针对由六棱柱单元组成的构架式可展开天线工作表面与球面背部支撑桁架形状差异的问题,基于微分几何和最小二乘法,提出了一种构架式可展开天线工作表面母线的拟合方法.通过对构架式天线的类型、组成模块的结构以及球面背架与工作表面关系的分析,将工作表面由空间状态转换成平面状态,用矩形将其包络,给出了母抛物面母线方程的求解步骤.根据偏距,得到了工作表面母线的端点坐标,将待拟合曲线离散化,应用最小二乘法分析推导了拟合圆弧的计算公式.通过算例对口径相同的3种组合的天线进行了拟合,比较了3种组合的优劣,结果表明各条曲线的最大的拟合误差均小于各自的许用误差,不需要进行修正,该方法对构架式可展开天线工作表面母线的拟合具有较好的效果.     

一种平面天线可折叠变胞机构的设计分析研究

将变胞概念引入可展机构设计,提出了一种多构态可展支撑桁架及时序可控的分步锁定方式。利用拓扑理论建立了可展桁架全构态变换的拓扑图及相对应的邻接矩阵,对自由度变化过程进行了详细描述,探讨了工作周期内机构的演变规律,并以可展桁架的运动轨迹最小化和展开冲击最小化进行了展开时序优化和动力学数值仿真,通过了样机试验验证。结果表明:该可展支撑桁架是一种四构态的多连杆变胞机构,铰链按照锁定时序由折叠构型实现分步展开,优化后的变胞型式具有运动包络小、运行平稳,易于装调的优点。     

双层环形可展开天线机构设计与力学分析

为解决超大口径可展开天线机构的轻量化、高刚度设计问题,提出一种由弹性铰链驱动的双层环形可展开天线机构.建立天线结构的静力学分析模型,得出结构中杆件与拉索的相互影响关系,推导出对角拉索预紧力的取值范围.基于建立的双层环形可展开天线结构动力学分析模型,对比分析前6阶振动频率及其相应的模态振型,与无拉索相比,通过对角斜拉索刚化可以将结构刚度提高1.2倍.分析结构参数对结构振动频率的影响规律,基于振动频率影响因素的灵敏度分析,得出增加双层环形可展开天线机构中的横杆截面面积和斜拉索的截面积,减小纵杆截面面积是提高双层天线结构振动频率的有效措施.     

Theory of loop algebra on multi-loop kinematic chains and its application

Based on the mathematic representation of loops of kinematic chains, this paper proposes the " ⊕ " operation of loops and its basic laws and establishes the basic theorem system of the loop algebra of kinematic chains. Then the basis loop set and its determination conditions, and the ways to obtain the crucial perimeter topological graph are presented. Furthermore, the characteristic perimeter topo-logical graph and the characteristic adjacency matrix are also developed. The most important characteristic of this theory is that for a topological graph which is drawn or labeled in any way, both the resulting characteristic perimeter topological graph and the characteristic adjacency matrix obtained through this theory are unique, and each has one-to-one correspondence with its kinematic chain. This character-istic dramatically simplifies the isomorphism identification and establishes a theoretical basis for the numeralization of topological graphs, and paves the way for numeralization and computerization of the structural synthesis and mechanism design further. Finally, this paper also proposes a concise isomorphism identifica-tion method of kinematic chains based on the concept of characteristic adjacency matrix.     

绳索-金属丝网组合结构力热匹配设计

网状可展开天线反射面是由柔性绳索与金属丝网缝制而成的．由于不同材料力热差异引起金属丝网与纤维绳索变形不协调,影响了绳索金属丝网组合结构的预应力分布与形面精度,降低了反射面的电性能．为此,有必要研究绳索金属丝网组合结构的力热匹配设计问题．文中采用只承受张力的两节点杆模拟绳索,利用膜模拟金属丝网结构,建立了绳索金属丝网组合结构力学模型,分析了绳索金属丝网组合结构热变形影响规律,对绳索截面参数进行了匹配设计．以环形桁架网状可展开天线为例,仿真结果表明,采用文中的力热匹配设计方法,在温变环境下反射面的热稳定性得到很大的改善,形面精度提高了92％．     

空间可展板壳结构的展开分析

建立了空间可展板壳结构的运动学分析的基础方程式，利用广义逆矩阵理论分析了可展板壳结构在外荷载作用下的运动过程，给出了可展板壳结构从收纳（展开）状态到展开（收纳）状态的计算方法，推导出了考虑位置增量高阶项的数值解，并取得了较好的展开分析精度.通过编制仿真程序进行算例分析，结果验证了分析方法的正确性.与传统的多体系统动力学方法相比，该分析方法的优点是建模简单，能够有效地分析可展板壳结构的复杂运动，并为空间可展板壳结构的设计优化提供了理论依据.     

可展桁架天线热-结构耦合分析

利用热传导 辐射理论建立方程,同时引入可展桁架天线所处的轨道条件,计算出可展桁架抛物面天线在轨运行时不同时刻的温度场;考虑结构非线性,建立结构热变形计算方程,并将热分析与结构分析进行耦合.利用Fortran语言,编制基于上述理论的有限元程序,计算出可展桁架天线在轨运行时不同时刻天线的温度场和热变形,以及不同时刻反射面的形面误差均方根（RMS）.采用热-结构耦合分析方法对算例的分析表明,该方法可实现可展桁架天线从热分析到结构分析的直接转化和耦合,可用于指导可展桁架天线的结构设计和热控制设计.     

剪式单元直线阵列可展结构的稳定性

为获得剪式可展结构失稳时的临界载荷,开展剪式单元直线阵列可展结构的稳定性研究．首先基于杆件的弹性变形分析,建立了剪式单元的结构失稳极限载荷表达式,然后将其应用于阵列组合而成的可展结构,获得了这种结构的稳定性条件．结果表明:单元个数、杆件柔度和位置角等参数共同影响结构失稳时的临界载荷,随着单元个数增加或杆件柔度增大,结构稳定性逐渐降低;位置角受到单元个数影响,不能单独作为判断结构失稳的依据．最后进行可展结构稳定性仿真分析,并将仿真结果与理论分析结果对比,两者吻合性较好,证实了本文提出方法的正确性．     

一种环柱天线的索网结构设计与分析方法

为了解决环柱天线复杂索网结构的网面和预应力设计难题,根据环柱天线结构组成确定了环柱天线索网的几何构型。考虑到索网结构中索段数目即变量个数和种类较多,将索网结构分为前、后索网两部分分别进行预应力设计。根据前索网对称特性进行变量归并,采用力密度法计算前索网预应力分布,完成部分索网节点坐标修正。根据前索网预应力由节点力平衡方程获得其余索网预应力。利用有限元软件对设计结果进行验证,仿真结果显示,采用所述方法设计的网面具有较高的精度,索网结构设计方法是有效的。     

连杆机构分析的拓扑图论方法及应用软件

经对平面连杆机构的五类基本杆件和运动副约束性质的分析,本文导出了用拓扑图论中的点边关联矩阵表达的拓扑变换,用这种拓扑变换可对任意连杆机构进行运动轨迹、速度、加速度和力分析。已研制出平面机构分析的通用源程序,可在计算机屏幕动态显示机构运动规律。已表明该方法及应用软件有许多优点。