UltraFlex太阳翼有序展开动力学建模与分析

针对刚柔耦合的圆形薄膜UltraFlex太阳翼结构动力学建模与分析困难、微重力下薄膜运动复杂和展开精度要求高的问题，搭建了UltraFlex展开动力学数值分析模型，分析了扭簧和绳索驱动下UltraFlex的有序展开动力学特性。基于绝对坐标方法建立包含柔性附件和柔性薄膜的UltraFlex动力学模型，采用两步检测算法处理薄膜间的复杂接触碰撞问题，利用扭簧逐步释放扭矩的方法驱动结构有序展开，通过控制绳索释放速率的方法完成移动箱板的转动规划和限位跟踪，提高展开位置精度。将该展开驱动策略运用到NASA实际样机尺寸的UltraFlex分析模型中，仿真结果表明该展开策略能够使得UltraFlex结构高精度、有序、稳定地展开；绳索始终处于张紧状态，最大拉力为62.5N；薄膜展开过程复杂，重复出现张紧、回弹的现象，最终趋于稳定。     

圆形太阳翼模态仿真与试验研究

利用有限元软件SAMCEF实现了圆形太阳翼模态仿真分析，探究了翼面预紧力、约束方式和悬吊弹簧重力卸载系统对太阳翼模态的影响。结果显示，翼面预紧力对太阳翼模态影响较大；支撑车约束方式微小影响太阳翼第一阶模态；有支撑车相比无支撑车，太阳翼第一阶模态频率差值可达32.89%，因此地面试验不能使用支撑车；含悬吊弹簧重力卸载系统可有效减轻重力作用对模态的影响；此外，当弹簧刚度小于7 N/m时，其对太阳翼模态的影响小于0.59‰。随后，采用工作模态法和双点激振方式，经预试验优化地面试验方案；采用正弦扫频方法进行模态测试，获得了圆形太阳翼的前四阶模态振型和固有频率。最后，通过有限元模型修正，使模态仿真结果误差保持在4.16%以内，符合测试相关标准的要求。     

UltraFlex太阳电池阵的结构优化

以提高圆形太阳电池阵的展开过程稳定性和固有频率为优化目标，以UltraFlex太阳电池阵为模型，采用有限元软件SAMCEF对其进行结构优化。以承重梁材料、斜梁开口高度、斜梁位置、梁截面高度及厚度5种结构参数为优化变量，进行了多种工况的展开动力学仿真和模态计算。经分析发现，结构展开后期太阳毯与支撑梁拉扯会导致支撑梁剪切应力激增；梁材料、斜梁位置与支撑梁截面高度对太阳电池阵的展开过程稳定性影响较大；当梁材料为碳纤维，斜梁位置为1100 mm，梁截面高度为20 mm时，展开过程稳定性最好；斜梁位置和承重梁截面厚度对结构固有频率影响较大；当斜梁位置为900 mm或1100 mm、承重梁截面厚度从3 mm增至3.5 mm时，系统固有频率涨幅最大，由此带来的质量增加可以接受。     

圆形太阳翼发展现状及趋势

圆形太阳翼是在航天器大收纳比的新需求下发展起来的一种新型柔性太阳翼,在国外航天器上已广泛应用。文章论述了圆形太阳翼的发展现状,分析了它的组成和工作原理以及由UltraFlex太阳翼到MegaFlex太阳翼的发展历程和制约因素,阐述了圆形太阳翼不同于其他类型太阳翼的优点,包括结构紧凑、高功率质量比、高展开刚度、低转动惯量、地面展开试验简单、扩展性好等;同时结合两种圆形太阳翼的优缺点,给出了它们的适用范围和场合。最后结合国内现有技术基础,提出了发展建议,可为国内圆形太阳翼研制提供参考。     

大型可展收支撑臂模态试验研究

大型可展收支撑臂具有低频、振动响应非线性的特性,文章对其模态试验进行了详细研究。通过有限元模型分析得到响应点和激励点的位置,采用不同的试验方法实施支撑臂的模态试验,对试验数据进行分析,得到支撑臂前6阶模态的固有频率、模态阻尼和模态振型。结合有限元方法对试验进行对比分析,表明试验结果可靠。该研究成果对太阳翼、展开天线等大型部件的模态试验也具有一定借鉴意义。     

视觉测振技术在柔性太阳翼模态试验中的应用

针对8 m×5 m的柔性太阳翼在倒立状态下进行模态试验，设计数字摄像视觉测振系统，基于图像特征跟踪法实现了从相机标定、图像采集、信息提取到三维振动数据获取的过程，通过工况模态辨识方法获取了柔性太阳翼模态频率及振型等动力学参数。并考虑空气和重力影响建立太阳翼有限元模型，通过与基于基恩士激光位移传感器的传统模态试验结果及仿真分析结果进行对比，验证了基于视觉测振工况模态试验方法的准确性，为柔性太阳翼在轨模态辨识奠定基础。     

太阳翼展开锁定最大冲击载荷修正方法

太阳翼展开锁定过程产生的锁定冲击载荷是卫星设计的重要指标,太阳翼设计时一般通过地面试验或仿真对该载荷进行估计。文章提出一种对太阳翼展开锁定过程最大锁定冲击载荷的修正方法。此方法在试验或仿真得出的载荷-时间曲线的基础上,参考模态分析结果或载荷曲线的频率分布情况,按频段分解,调整相位后再进行叠加,得到修正后的可能最大载荷。...     

考虑压电耦合的空间充气展开结构频响特性分析

着眼于利用柔性压电元件获取空间充气展开结构的动力学特性，文章基于通用有限元软件ABAQUS，建立考虑压电耦合的空间充气展开结构频率响应分析方法，依次进行非线性充气预应力分析、模态分析和频率响应特性分析。以空间充气杆为例，分别利用有限元仿真和地面实验的方法得到其频响曲线，两者共振峰频率偏差小于2.3%，验证了充气展开结构有限元仿真方法的有效性。研究结果可为进一步分析空间充气展开结构的动力学特性和实施结构优化设计提供参考。     

航天器平面薄膜结构模态分析和试验

为分析航天器平面薄膜结构(包含薄膜和绳索张拉系统)的动力学特性,对真空和空气中的多花边平面薄膜结构的模态进行了有限元仿真分析,且构建了一套测试平面薄膜结构模态的试验系统,分别利用摄影测量法和扫描式激光测振仪对平面薄膜结构的平面度和模态进行了测量,试验结果验证了模态仿真分析的正确性。进一步的分析表明,平面薄膜结构的基频近似与绳索拉力的平方根呈正比,且基频随花边半径增大而减小,但减小幅度很小,说明增大绳索拉力对平面薄膜结构基频的提高比减小花边半径对基频的提高要明显得多。     

折叠太阳翼支承点分布优化分析

为了研究支承点分布对折叠太阳翼固有频率的影响,以典型两折叠太阳翼结构为研究对象,根据能量守恒原理和Rayleigh-Ritz理论推导出两折叠太阳翼的振动方程和频率方程。对折叠太阳翼固有特性及支承点分布对其固有特性的影响进行深入分析,并以基频最大为目标对其支承点的分布进行优化,获得最优支承位置。算例分析表明,在给定支承点分布情况下,理论计算结果与有限元分析结果具有较好的一致性。研究结果可为折叠太阳翼支承点分布的设计提供理论分析依据。     

缓冲气囊展开与缓冲着陆过程的仿真分析

文章基于显式有限元模型,采用控制体积法对缓冲气囊的展开及缓冲过程进行仿真分析。首先对单个球形气囊进行折叠展开过程模拟,之后依据NASA"猎户座"缓冲着陆器的缩比模型,建立了一个用以评估气囊着陆衰减系统的LS-DYNA有限元模型。分别研究了缓冲着陆器正碰和侧碰对缓冲气囊压力、着陆器的加速度和运动的影响。并与文献进行对比验证,计算结果表明数值模拟的正确性。     

大型反射面的充气展开动力学研究

为了掌握大型反射面从收拢状态到完全展开状态的动力学特性，采用气囊模型和控制体积(CV)法对反射面的充气展开过程进行研究。建立了包含中心轮毂、肋板、支撑杆、薄膜圆环和张拉绳的反射面有限元模型，提出逆解法获得折叠收拢状态下反射面的节点坐标，给出了充气展开动力学分析流程，获得了恒定充气速率下展开过程中圆环充气体积、环内压力等参数与展开时间的变化规律。结果表明，采用充气技术可进行大型反射面有序可控展开，反射面的充气展开过程分初始收拢状态、解锁释放、肋板展开、保压稳定四个阶段，地面充气展开试验结果验证了仿真分析的准确性。     

太阳翼地面展开锁定的动力学仿真分析

利用ADAMS软件的柔体动力学计算功能,将ADAMS和PATRAN/NASTRAN软件联合,建立太阳翼地面展开及锁定仿真模型,从太阳翼展开初始就考虑连接架和基板的弹性,以及地面各影响因素的影响,对太阳翼地面展开锁定过程进行连续的仿真计算,得到了对驱动机构的冲击载荷等动力学性能.分析方法得到了试验的验证.其后,给出了太阳...     

考虑根铰间隙的空间框架展开机构动力学分析

利用Kane法多体动力学基本理论并考虑根铰间隙影响因素，建立适用于空间柔性太阳电池阵的多框架展开机构多体系统动力学模型，对框架展开机构的展开方式和展开过程进行仿真分析，获得了机构组成部件在展开过程中的几何位置、速度、加速度等动力学特性，分析了框架展开机构各个关节点运动特性、铰链间隙与外部驱动力的相互作用规律。结果表明：合理控制框架展开机构各运动部件的驱动力矩是保证框架按照确定规律展开的必要条件；根铰间隙对太阳电池阵框架展开机构角加速度影响较为明显，进而影响到展开框架展开过程的稳定性，对转角和角速度几乎没有影响；在进行空间太阳电池阵框架展开机构设计时应严格控制铰链轴间隙，并通过动力学仿真校核间隙对太阳电池阵展开过程的影响；研究结果为空间柔性太阳电池阵多模块框架展开机构设计提供指导。     

环柱式天线展开过程耦合动力学分析

针对环柱式天线展开过程中斜拉绳索释放运动与桁架展开运动之间耦合动力学分析困难的问题,采用非线性欧拉梁单元对斜拉绳索建模,基于几何精确梁理论对环形桁架建模,提出了环柱式天线多体系统模型,实现了结构展开过程中绳索释放与桁架展开耦合动力学的精准仿真,揭示了绳索柔性等因素对桁架伸展起阻碍作用的机理。仿真结果表明,在环柱式天线展开过程中,减小绳索模量,降低绳索直径,采用单绳索分布设计,有利于提高桁架的展开稳定性。另外,绳索柔性对桁架展开中间阶段影响最为显著。该分析结果为环柱式天线在轨展开动力学预示和优化设计提供了指导作用。     

卫星太阳电池阵在轨故障统计及分析

文章针对2000年1月至2012年9月期间79颗在轨卫星发生的114次太阳电池阵故障事件进行了分类统计分析,并利用Kaplan-Meier估计量分析方法对这些在轨故障进行了可靠性分析。结果表明:太阳电池阵的故障多发生在卫星在轨第一年,其中电子类故障发生率较高;不同卫星平台的系统缺陷或设计共性问题也与太阳电池阵故障紧密相关。最后,结合我国卫星太阳电池阵设计及制造工艺技术,提出了加强出厂前的测试和试验验证、加强仿真建模、加强冗余设计等建议。     

基于蒙特卡洛法的卫星天线板展开精度分析

卫星天线板的展开精度对卫星在轨工作精度有影响显著,展开精度受多种因素影响,其中加工装配误差难以避免且具有不确定性,需利用统计和概率方法进行研究。文章分析了卫星天线板支撑机构锁定铰链锁定位置偏差对天线板展开精度的影响;建立了卫星天线板动力学模型,提取动力学分析结果作用于展开状态的天线板有限元模型进行静力分析,得到结构节点变形;定义了衡量天线板变形程度的精度指标,包括平面度偏差和指向角度偏差;基于给定的铰链锁定误差分布,采用蒙特卡洛法得到了天线板展开状态下精度指标的概率分布,拟合并验证了其满足正态分布,为天线板的可靠性设计和展开精度改进提供了依据。