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。     

构架式天线柔性动力学建模与展开精度分析

构架式可展开天线具有结构非线性强、桁架系统复杂以及运动环节多等特点,通常被视作刚体系统进行建模分析。然而多刚体动力学方法在求解复杂的连杆结构时,难以处理数量大、非线性强的铰接间隙模型,因此并不能准确还原真实的结构特性,给构架式天线的地面展开验证带来很大困难。本文建立了一套适用于该型天线的柔性多体动力学模型,通过引入微小弹性形变来消除铰链间隙对天线展开的影响,并在型面精度方面与期望的天线展开模型进行了比较说明。在确保不影响结构真实性的前提下,通过降阶、引入稳定系数等手段提高了柔性体单元计算效率。通过约束方程的设计与模块拆分求解等方法,消除结构非线性的影响。解决了针对构架式可展开天线的复杂桁架系统强非线性动力学的高精度建模问题,为构架式天线的仿真提供了技术手段。     

航天器缠绕肋天线缠绕过程动力学建模与仿真

航天器缠绕肋天线缠绕过程,涉及柔性大变形与大范围运动的耦合、阻尼因素影响,以及缠绕肋条与中心毂接触碰撞等动力学问题,是获取缠绕肋天线展开特性的重要输入。文章应用空间绝对节点坐标法对缠绕肋天线建模,基于比例阻尼模型推导了阻尼力对绝对坐标列阵的雅克比矩阵,建立了缠绕肋条与中心毂的刚柔耦合系统接触碰撞检测模型。通过对缠绕肋条缠绕过程进行仿真,获得了缠绕肋条缠绕过程的动力学响应,分析了阻尼系数选取对缠绕速度、中心毂接触力的影响,结果可为缠绕肋天线展开过程的动力学分析提供输入,并为缠绕肋天线研制过程中缠绕、展开试验提供参考。     

大型空间电站在轨展开与组装动力学与控制

针对大型空间电站在轨展开与组装过程中复杂的动力学环境，将桁架类大型空间电站视为一个刚柔多体系统，采用自然坐标法对刚性构件建模，基于绝对节点坐标方法描述柔性桁架结构，编写了一套动力学仿真软件，实现了大型空间电站在轨展开与组装动力学的精确仿真。仿真结果表明，采用摆线运动插值函数作为控制方程有利于提高多级展开过程的稳定性；在结构组装过程中，减小组装速度，增大组装机构阻尼系数与劲度系数，有利于提高结构稳定性。最终集成了一套针对大型空间电站的动力学仿真平台搭建方法，为大型空间电站在轨展开与组装动力学预示提供了理论依据和方法指导。     

一种柔性多体动力学建模方法及其工程应用

针对具有多轴天线驱动、机械臂运动、空间站舱段转位等多体运动特征的航天器,提出了一种基于浮动基座和树形拓扑结构的柔性多体动力学建模方法,用于计算机建模和与控制系统联合仿真。基于拉格朗日方程和有限元方法所建立的动力学方程考虑了大角度刚体相对转动、弹性部件振动、柔性关节变形特性。将此建模方法程序化并应用于工程实际,可解决此类航天器复杂的机构运动与弹性振动的耦合动力学建模问题,实现完全自主的动力学建模、模型代码输出和控制联合仿真功能,为此类航天器的动力学特性分析及其控制系统设计与系统级仿真验证服务。结合带多轴驱动天线和大型柔性天线的整星对象,采用该方法建模并就系统频率、频率响应、时间响应与商业柔性多体软件Adams进行对比,结果显示二者一致性良好,验证了该建模方法及其软件实现的正确性和通用性。     

星载大型天线反射器桁架展开动力学建模仿真

以星载大型可展开天线为对象,研究了索网绷紧前天线反射器桁架在轨展开动力学过程。对大型天线展开机构特点和展开原理进行分析,建立了反射器桁架驱动和传动机构动力学模型。为避免初始时刻天线反射器切断铰约束方程雅克比矩阵奇异,以及小展开角情况下动力学方程左端系数矩阵数值性态差问题,提出了基于几何的替代约束求解方案。对星载大型天线在轨展开动力学过程进行了数值仿真,仿真结果表明,提出的方法能够有效解决初始时刻天线反射器切断铰约束方程雅克比矩阵奇异问题。     

面向卡塞格伦伞状天线的主副面同步展开机构设计及分析

针对长焦距双反射面伞状可展开天线的收展问题,根据卡塞格伦式伞状天线结构特点,提出一种曲柄滑块机构与绳索机构相结合的展开机构;建立了展开过程运动分析模型,可对关键运动部件进行展开过程的运动学分析与仿真。为减小冲击,对展开过程进行了速度规划,对比不同速度规划下天线展开时的运动参数曲线及接触力并综合考虑主面与副面的展开平稳性,确定在五次多项式速度规划下为最平稳展开过程。本文对星载天线的深入研究具有一定的参考价值。     

基于Kriging代理模型的环形网状天线展开过程规划

针对环形网状天线小冲击、低能耗展开的应用需求，提出了一种基于动力学分析的环形网状天线展开过程规划方法。建立了综合考虑铰链摩擦、索网张力及驱动绳索柔性的环形网状天线展开动力学模型，并针对动力学分析模型的计算耗时问题，基于Kriging模型构建了环形网状天线展开过程动力学分析的代理模型。基于此，提出了环形网状天线展开过程规划的非自适应和自适应两种优化策略，通过合理设计驱动绳索的索长收纳函数实现天线展开角加速度峰值和驱动功率峰值最小化。优化结果表明，与运动学规划方法相比，基于动力学分析的环形网状天线展开过程规划能够显著降低展开角加速度峰值和驱动功率峰值；与非自适应策略相比，自适应优化策略能够在保证代理模型精度的条件下大幅度提高优化效率。该研究结果可为环形网状天线实现小冲击、低能耗展开提供一定的实际指导作用。     

空间索网天线展开递推动力学建模方法研究

针对大型空间可展开天线自由度多、非线性强特点,为对其展开实施有效控制,提出一种周边桁架空间机构的多自由度系统快速递推建模方法。用有限段方法处理杆件弹性部分,用等效力矩代替腹杆的驱动和锁定作用,将周边桁架双重闭环构型等价为链式多体系统。对索网大型天线用空间算子代数递推建模,求解动力学响应可模拟获得天线变形的运动和所需各驱动力矩。数值算例中获取了加速段和减速段关节空间的角位移和角速度,以及关节空间驱动力矩。研究表明该法是一种高精度、高效率的动力学递推建模方法,可适于大型可展开机构的快速计算,对实际工程中天线展开的参数设计和力学分析有一定的指导意义。     

可抛式延伸喷管展开过程运动与动力学仿真(英文)

针对固体火箭发动机可抛式延伸喷管运动机构的特点,建立了包括展开装置、释放机构、折转片等在内的延伸喷管整机模型。根据试验结果建立了燃气展开力样条曲线,利用机械系统动力学仿真分析软件ADAMS进行了延伸喷管展开动力学仿真,获取了延伸喷管运动构件的运动特性和约束的约束反力等结果。结果表明,运用ADAMS动力学仿真分析软件对延伸喷管展开过程中的动力学响应进行仿真分析是可行的。     

周边桁架可展开天线小冲击展开过程设计

提出了周边桁架可展天线展开过程的一种轨迹设计方法.通过优化方法选择贝塞尔曲线作为驱动索的输入运动轨迹,保证了展开角加速度的连续性并有效降低其峰值,从而达到了减小天线所受冲击的目标.通过数值仿真对比得出结论,天线的展开过程应是一个无中间匀速状态的先加速后减速过程.     

双层环形可展开天线机构构型优选及结构设计

提出可构成双层环形桁架式可展开天线机构的可展开单元需满足的条件,设计出一种轻量化、高刚度曲柄滑块式可展开单元。建立单元特性综合评价指标,对7种可展开单元进行单元特性评价及优选。对优选出的可展单元的结构尺寸进行优化设计,获得了优化设计参数。设计了20m的大口径双层环形桁架式可展开天线机构,研制含弹性铰链的单层环形桁架式可展开天线机构与双层单元机构原理样机,对两种样机的展开功能和重复展开精度进行测试,验证了提出的可展开机构单元及大口径天线机构设计的正确性和可行性。     

带射频电缆的可展开天线阵在轨展开动力学

空间存在射频电缆穿越可展开部件工作区域的情形,这会对部件的展开特性造成较大的影响(特别是无源可展开机构),甚至会影响整个航天器任务。文章以某卫星带有半刚性射频电缆的无源可展开天线阵为例,提出了其动力学建模仿真流程,并建立在轨展开动力学模型;采用该模型开展了在轨展开动力学特性的仿真研究,同时与在轨实测数据进行了比对。结果表明,仿真数据与在轨实测数据基本一致,准确地评估了射频电缆对可展开天线阵在轨展开特性的影响,仿真评估方法有效。该建模仿真流程同样适用于卫星其他类型可展开部件的展开特性研究。     

Structural design and static analysis of a double-ring deployable truss for mesh antennas

This paper addresses the structural design, the deployment control design, the static analysis and the model testing of a new double-ring deployable truss that is intended for large mesh antennas. This deployable truss is a multi-DOF (degree-of-freedom), over-constrained mechanism. Two kinds of deployable basic elements were introduced, as well as a process to synthesise the structure of the deployable truss. The geometric equations were formulated to determine the length of each strut, including the effects of the joint size. A DOF evaluation showed that the mechanism requires two active cables and requires deployment control. An open-loop control system was designed to control the rotational velocities of two motors. The structural stiffness of the truss was assessed by static analysis that considered the effects of the constraint condition and the pre-stress of the passive cables. A 4.2-metre demonstration model of an antenna was designed and fabricated. The geometry and the deployment behaviour of the double-ring truss were validated by the experiments using this model.     

基于螺旋理论的环形桁架式可展天线构型综合

基于螺旋理论针对环形桁架式可展天线机构的构型综合问题进行研究，首先概述基于螺旋理论的约束综合法，然后分析环形桁架可展天线机构的收展原理，将环形桁架机构分为上下环形边两部分，通过综合环形边机构并连接上下环形边便可得到环形桁架机构；采用移动副(P)来描述各个节点花盘的运动特性，通过基于螺旋理论的约束综合法针对环形边支链机构进行分析与综合，得到了16种约束支链机构，通过分析与优选得到了两种约束支链机构；采用综合得到的约束支链机构组合得到了环形边链路机构并通过连接组合与推演得到了四种环形桁架可展开机构；最后针对综合得到的四种环形桁架机构在Solidworks软件中进行了三维建模与运动仿真，校验了各机构的可展性。本文的研究为可展天线机构的构型综合提供了一种新思路，综合得到的几种环形桁架机构在空间可展开天线领域具有较好的应用前景。     

空间可展开结构拓扑综合方法研究

空间可展开结构的构型用邻接矩阵表示,采用拓扑变换的方法来研究空间可展开结构 的拓扑综合。通过构件的增加、减少以及连接关系变化的变胞综合方法实现不同构型之间的 变换运算。以周边桁架可展开天线结构为例,通过构型变换,得到了不同于目前同步展开／ 收拢方式的混合展开收拢方式,以及新的可展开结构的构型。通过所得类型的运动仿真,表 明了混合展开方式以及新的可展开结构类型的可行性,验证了空间可展开结构拓扑综合的变 胞综合方法。     

基于CAD三维模型几何特征简化的卫星桁架结构快速建模仿真与试验验证

为提高卫星桁架结构设计过程的仿真建模质量,优化仿真过程对三维模型信息的利用方式和效率,文章提出一种基于CAD三维模型几何特征简化的卫星桁架结构快速建模仿真方法,并给出分别采用梁单元和壳单元建模的路径及软件界面。将该方法应用于某卫星结构的仿真建模,得到了三维有限元模型模态分析数据,其与力学试验数据的对比结果表明:横向模态分析与试验误差最大,为6.07%;各方向误差均满足指标要求。基于CAD三维模型几何特征简化处理的卫星桁架结构快速建模仿真方法合理可行,建模过程便捷、高效,数据可信。     

铰接桁架结构动力学问题研究

以铰接桁架结构为对象,采用谱元法研究铰对桁架结构动力学行为的影响,拓展了谱元法的应用领域。在频域下将铰结构考虑为一个谱单元,分别建立铰、杆和梁单元的动力学刚度矩阵,并加以整合得到整体结构的动力学刚度阵,进而建立整体结构的动力学方程。通过求解整体结构的动力学方程,获得结构的固有频率、频响曲线和时间响应历程曲线,并将谱元法的计算结果同有限元法的相应结果进行了比较。分析结果表明,谱元法在求解铰接桁架结构的动力学问题上具有较高的精确性,并且铰的存在对桁架结构动力学行为具有显著影响。