剪叉联动式双层环形桁架可展开天线机构设计与分析

为提高环形桁架可展开天线机构的刚度,提出了一种剪叉联动式双层环形桁架可展开天线机构,介绍了其具体结构及特点;对整体桁架机构进行了单元划分,将其分解为多个六面体可展单元,分析了整体桁架结构的运动过程及特点,并对六面体基本可展单元进行了结构分析与简化;基于反螺旋理论分析了六面体可展单元的自由度及运动形式,得到了其只有一个收展运动自由度的结论,最后建立了整体双层环形桁架可展开机构的仿真模型,模拟了整个双层环形桁架机构的收拢与展开过程,验证了其整体的可展性。     

星载平面可展天线支撑桁架的结构效率优化

针对折展结构性能存在多指标且这些指标之间又相互制约的特点,把结构效率引入到可展结构的优化设计中,应用多因素正交试验法对一种空间可展开平板天线支撑桁架的优化问题进行了研究。对其关键几何设计参数进行了分析,建立了桁架结构的优化数学模型,以结构效率最大化作为优化目标,对可展桁架进行了结构优化,得到了支撑桁架各杆件的设计参数。结果表明:结构效率综合考虑了质量和刚度的影响,使结构质量和刚度同时得到优化;长宽比(l/w)是影响可展桁架结构性能的主要因素,对不同优化目标产生影响的次要因素有所不同;截面积对结构效率影响不显著(置信度p=90%),在相同杆长参数配置下,等截面可展桁架的结构效率仅次于变截面方案,但工程经济性最佳。该研究方法有助于在概念设计阶段从系统设计的角度进行空间桁架结构的快速设计与优化。     

一类基于四面体组合单元的模块化构架式可展开天线机构

针对现有基于四面体单元的构架式天线机构结构复杂、收拢率低、运动副数量多等问题，基于3RR-3RRR四面体组合单元和基于3RR-3URU四面体对称组合单元分别提出了两种新型模块化可展结构。以3个组合单元组成的模块化结构为分析对象，首先，详细介绍了模块化结构的组成及虎克铰轴线布置，并利用组合单元本身的自由度数目及性质，采用拆杆-等效-复原的思想，应用螺旋理论和G-K公式分别对提出的两种模块化结构进行了自由度分析，得到了自由度数目及性质。其次，应用Adams动力学仿真软件对两种模块化结构进行运动仿真，仿真结果验证了自由度分析的正确性。以完全展开和完全收拢时机构所占的空间体积比值表征该机构的收拢率，计算现有基于四面体单元的非模块化机构与提出的模块化机构的收拢率。最后，对比分析非模块化机构与模块化机构的自由度数目、运动副数目及收拢率。分析结果表明，基于3RR-3URU四面体对称组合单元的模块化结构既能实现较大收拢率，自由度及运动副数目也相对减少，且组成大型天线时杆件类型较少。研究结果为该类模块化构架式可展天线结构的设计与分析提供一定理论依据。     

大型空间可展开天线结构的主动振动控制

利用内置压电元件的主动构件作为作动器,对大型空间可展开天线结构进行了振动主动控制的研究。分析了含压电单元的空间天线结构的振动主动控制的原理和方法,采用独立模态控制法对可展开天线结构实施主动控制。并且基于作动器的模态影响矩阵对作动器进行了优化布置,使其效能达到最大。最后采用LQR方法对结构进行控制,应用Matlab软件对该压电结构进行仿真实验控制。仿真的结果表明,通过振动主动控制明显增加了可展开天线结构的结构阻尼,取得了十分有效的振动抑制效果。     

周边桁架可展天线展开过程动力学分析及控制

 基于多刚体系统动力学的Lagrange方法,采用独立的Lagrange广义坐标,考虑耗散力、铰链处扭簧的驱动力及索网预张力对展开过程的影响,建立了周边桁架可展天线展开过程的动力学模型,给出了基于力控制的展开过程控制策略,得出了展开过程驱动力的变化与天线位形变化之间的关系,根据所规划好的天线展开运动得出相应的驱动力。编制了仿真程序进行算例分析,研究了初速度、阻尼及重力对天线展开过程的影响,实现了考虑驱动扭簧的刚度、关节中的阻尼、重力及索网预张力影响的周边桁架可展天线展开过程的动力学分析与控制。实验仿真结果验证了该方法的有效性。     

大型可展开天线太空结构频率预测

由于空间大型可展开天线口径较大,在地面模拟太空环境难度高,使得直接在天线原型上进行性能测试非常困难或不可能。为了解决该问题,提出了一种“两步法”,利用空间大型可展开天线的缩比模型进行地面性能测试,以预测天线原型在太空中的工作性能。据此对周边桁架可展开天线太空工作的结构固有频率进行性能预测研究,首先推导了结构固有频率的相似准则,然后考虑结构参数畸变的影响,得出其相似性经验公式,最后研究了温度变化对结构频率的影响,得出了预测大型天线太空工作性能的经验公式。仿真结果验证了该方法的有效性,该方法可应用于其他空间结构的设计和性能预测。     

双环可展桁架结构模型柔性张力索网设计与分析

由于采用双环可展桁架结构可以有效改善结构刚度,实现更大的天线口径,故在已有双环可展桁架结构基础上,基于柔性张力索网成型原理设计可展天线反射面柔性张力索网,利用有限元数值分析方法对两种索网进行找形分析。制作2m口径双环可展桁架结构模型。在双环可展桁架结构模型上安装柔性张力索网,通过对拉索施加预应力将索网张拉成型。运用非接触测量系统对成形后索网节点坐标进行测量,将测量所得结果与数值分析所得结果进行比较分析,考察了柔性张力索网的型面精度。结果表明该张力索网可实现张紧成型,索网节点坐标测试值与设计值较为吻合,可为此类可展天线的设计提供参考。     

铰链对含铰结构非线性动力学特性影响分析

针对可展结构中铰链带来的展开后非线性动力学问题,建立了含铰结构的动力学模型。基于铰链侧向和径向的几何约束关系,分析了不同约束条件下的铰链非线性特性。基于谐波平衡法（HBM）,对含铰结构的非线性变量进行一次谐波展开,得到铰链非线性力的谐波展开表达式,将含铰可展结构的非线性动力学方程转化为代数方程。分析了铰链在不同非线性特性下各参数对结构动态特性的影响,得到结构固有频率随铰链间隙、刚度和激振力的变化规律。考虑铰链的非线性特性,通过固有频率脊线求解,得到结构固有频率极值随铰链数量、位置和刚度的变化曲面,并对其进行非线性拟合,得到铰链参数对结构固有频率的影响函数,其计算方法和结果在多维复杂结构中具有一定的扩展性,为可展结构的设计和研究提供参考。利用龙格库塔法对非线性结构进行数值仿真,得到结构的固有频率变化曲线,仿真结果表明了利用HBM进行含铰结构动力学分析的正确性。     

三维正交机织复合材料单胞特征单元及其应用

 基于三维正交机织复合材料，提出了一种特征单元均匀化分析方法。用“特征单元”来表示能够反映单胞的几何构造细节和材料构造细节的单元。首先用一般有限元方法对三维正交机织复合材料单胞进行分析得到总体刚度矩阵，利用该矩阵的特征向量建立了单胞的特征单元。通过比较特征单元的刚度矩阵元素和利用传统均匀化方法得到的刚度矩阵元素，说明了特征单元能够反应单胞的几何构造和材料构造细节。为了验证特征单元的有效性，分别用特征单元、传统均匀化方法和一般有限元方法计算了三维正交机织复合材料梁的固有频率，结果表明特征单元精度比传统均匀化方法高，而计算量比一般有限元方法大幅度降低。     

一种基于超导的重力梯度敏感结构分析

 为了构建小型化全张量重力梯度测量系统,提出一种轴向分量与交叉分量同时敏感的基于超导的重力梯度敏感结构。基于螺旋理论分析两分量敏感结构的自由度,利用自由空间的运动螺旋系与互逆原理得到约束螺旋系,进一步得到具有冗余约束的对称约束构型,并选择柔性元件构建并联机构形式的两分量敏感结构,利用柔性虎克铰的横向与竖向柔性铰链实现等效球铰的功能。然后分析转臂质量沿轴移动与绕轴转动时柔性元件的变形,根据几何关系与功能定理得出两分量敏感结构的沿轴移动刚度与绕轴转动刚度。通过实际参数的计算,明确了各参数对结构刚度的影响,仿真结果验证了分析过程的准确性。     

周期对称性在叶盘结构瞬态响应求解中的应用

研究了利用结构周期对称性计算叶盘结构瞬态响应的方法.首先用ANSYS得到扩充扇区的刚度和质量矩阵,通过周期对称边界上节点的对应关系得到扩充扇区到基本扇区的转换矩阵.利用叶盘结构中各扇区所受载荷的特点,得到任意时刻载荷的空间分布,并对其进行Fourier展开,以得到周期对称模型的载荷.采用Newmark法进行时域积分,利...     

一种考虑截面任意变形模式梁的有限元模型

提出了一种考虑截面完整变形的截面插值梁模型,并用于机翼结构的建模与分析。首先引入截面插值函数——拉格朗日函数描述截面形状,以位移向量为未知变量描述截面位移,在此基础上依据插值理论构造梁单元位移场。不同于传统梁单元通过假定的中性轴的挠度和转角来确定梁截面各点位移,该梁模型摒弃了中性轴假设与平截面假设,通过截面插值函数得到梁截面面内、面外变形;然后通过有限元理论推导了梁单元刚度矩阵与质量矩阵;最后利用截面插值梁单元对机翼各部件进行有限元建模,并展开典型工况下的静力学分析以及动力学分析,与Nastran实体单元计算结果进行了对比分析,验证了该梁模型的有效性,为机翼的结构设计和强度分析提供了一种新的简化建模方法。     

大型网状可展开天线模态分析

利用ANSYS软件,建立了某大型网状可展开天线展开和收拢状态模态分析的有限元计算模型．给出了展开和收拢状态下天线结构所对应的固有频率和振型。     

一般层合板矩形单元的几何刚度矩阵

本文简述了求解结构稳定性问题的有限元理论基础。用张量的形式指导了一般层合板矩形单元的节点力和节点位移关系方程，详细推导了一般层合板四节点矩形单元的几何刚度矩阵的公式及其显式。     

旋翼桨叶动力分析及内力计算中有限元法的改进

提高用有限元法进行桨叶动力分析、特别是动内力计算的精度是本文工作的主要目的。本文建立了变剖面旋转梁协调单元族;提出利用单元动刚度矩阵直接由节点位移计算桨叶内力（简称为计算内力的“动刚度法”）。作为例子,用所导出的不同精度的有限单元和建议的内力计算方法计算了具有不连续结构特性的变剖面桨叶弯曲振动固有频率、振型和模态内力。计算结果表明,工作可以达到预期的目的。     

机翼部段静力试验优化设计方法

飞机结构部段结构静力试验是验证结构承载能力、有限元模型等设计指标的重要手段。部段试验相比全机试验规模较小，但需要解决边界分离面刚度匹配、支持模拟、加载模拟等技术难题，保证结构考核精度不受影响。某型飞机机翼为联翼式桁架布局，取中间一段机翼进行静力试验，需要解决多分离面优化设计，气动惯性载荷优化设计及施加等问题。采用分级解耦的设计思想，将试验设计的各个影响因素逐级剥离并建立相应的分析对比模型，依据结构响应误差进行优化设计，评估每一级简化模拟带来的误差。以结构有限元数值仿真为基础，提出了多铰支接头位移+主动载荷混合边界模拟，分离面加载假件刚度解耦设计与优化，桁架式机翼载荷优化设计及载荷施加等试验技术，使部段试验设计精度达到较高水平。     

统一粘塑性本构方程一致切线刚度矩阵的研究

统一粘塑性本构方程是微分或增量形式的方程组,内变量是隐式的,一致切线刚度矩阵很难给出明确的表达式.针对包含热恢复项的统一的粘塑性本构方程,在向后欧拉积分的基础上,为本构模型推导和确定了一个新的考虑率相关塑性的一致切线刚度矩阵(Consistent tangent modulus)的表达式,并在通用的有限单元分析程序MARC中实现.通过一些算例的有限元分析,检验了一致切线刚度矩阵的可行性.      

基于波动模型的框架结构被动阻尼减振分析

将空间框架结构的振动作为波动来研究,建立结构的波动模型,并基于此模型对结构进行被动阻尼减振设计。阻尼单元和阻尼铰两种被动阻尼方案被用来增加结构的阻尼特性。根据波动分析的结果,一种迭代的方法被用于寻求多个阻尼单元或阻尼铰的位置。结果表明,波动模型非常适合于对结构的局部进行修改和分析。     

3R-3URU可展单元机构及其在构架式可展天线中的应用

提出了一种空间单自由度(DOF)可展单元机构3R-3URU。首先,基于螺旋理论和修正的G-K公式分析了RURUR单闭环机构的自由度,建立了该机构中主动关节和被动关节速度之间的解析关系式,基于此关系式和3个RURUR机构共用首尾转动副的结构特点推导了3R-3URU单元机构的自由度,得到了3R-3URU机构具有1个自由度时各运动副的方向和位置满足的几何关系式。其次,将3R-3URU机构应用于3RR-3RRR四面体可展单元及其组成的球面构架式可展天线中,得到了具有收拢和调姿两种自由度的新型可展机构。最后,利用Adams软件对3R-3URU可展单元机构的自由度和其在四面体构架式可展天线中的应用进行了仿真验证。该3R-3URU可展单元机构具有单自由度、铰链种类少、结构简单等优点,可用于曲面构架式可展天线的支撑机构中,实现大折叠比。     

由摩擦阻尼铰实现桁架结构的被动减振研究

研究利用一种摩擦力随振动幅值的增大而增大的阻尼铰进行结构振动的被动控制。首先分析了含干摩擦约束铰结构单体梁的振动特性,并给出了系统随振动幅值变化的等效固有频率和粘性阻尼的定量表达式,然后建立了在桁架结构中设置此种摩擦铰的振动方程,分析了系统的动力特性,由计算结果发现,这种摩擦铰具有良好的阻尼特性;通过这种非线性元件,不仅通过滑移时消耗能量,而且可以将能量由低阶模态转移到高阶模态来加速振动衰减。