基于比刚度最大的球铰接杆式支撑臂参数设计

球铰接杆式支撑臂的构型参数设计决定了支撑臂的质量、收拢包络尺寸、刚度和强度等特性。文章提出了一种基于球铰接杆式支撑臂展开后比刚度最大的构型参数设计方法,利用MATLAB和ANSYS联合仿真,分析了不同构型参数组合下支撑臂比刚度的变化规律。结果表明,对于20~100m范围内的球铰接杆式支撑臂,纵梁与横杆的长度比及套筒半径的优选范围随支撑臂总长度增加而增加。当支撑臂总长度分别为20m、60m和100m时,对应的套筒半径优选范围分别为0.3~0.4m、0.5~0.7m和0.6~0.9m。提出了基于比刚度最大的支撑臂参数设计流程。利用提出的设计方法对SRTM任务中球铰接杆式支撑臂进行了构型参数设计,设计结果与ADAM杆构型参数相近,表明设计方法正确、可行。     

球铰接杆式支撑臂斜拉索组件的参数影响分析

文章分析了斜拉索倾角对支撑臂剪切刚度和扭转刚度的影响,给出了一定横杆长度下斜拉索倾角的最佳取值范围。以支撑臂杆件不发生屈曲失效和支撑臂在最大负载下不发生坍塌为准则,给出了斜拉索预张力的上下限。〖JP2〗基于Hertz接触理论,推导了斜拉索预张力与球铰副接触刚度的关系,将关系式引入支撑臂单元段的有限元模型中,进行了模态分析,给出了斜拉索预张力对单元段一阶弯曲频率的影响曲线。分析结果表明,单元段一阶频率先随着斜拉索预张力的增加而增加,但当预张力超过一定值后,预张力的增加反而会使一阶频率降低;得到了斜拉索预张力优选范围。推导了锁定装置解锁力与支撑臂收拢时所需外力矩的关系,利用ADAMS软件对展开/收拢过程的扭矩进行了仿真,〖JP〗对支撑臂单元段展开/收拢过程中所需力矩进行了试验测试,试验结果表明,力矩的理论计算及仿真与试验结果基本吻合,误差在3%以内,证明了理论计算与仿真的正确性。研究结果为球铰接杆式支撑臂中斜拉索组件设计提供了理论依据。     

构架式空间可展开支撑臂

构架式空间可展开支撑臂在实现大尺寸高刚度航天器方面有着广泛的应用需求。文章论述了几种典型构架式空间可展开支撑臂的结构组成、工作原理和发展现状,从多个方面比较了不同类型构架式空间可展开支撑臂的特点,阐述了构架式空间可展开支撑臂发展趋势,指出球铰接杆式空间可展开支撑臂是适应大型化发展的空间可展开支撑臂主要发展方向,分析了实现球铰接杆式空间可展开支撑臂工程化尚需解决的关键技术。     

考虑斜拉索松弛的盘绕式伸展臂振动模型

盘绕式伸展臂展开后,由于预紧力的作用,横杆被压缩至弯曲状态,同时斜拉索张紧.振动幅度较大时,斜拉索会松弛.以建立一种可以描述上述情况下盘绕式伸展臂基频特性的模型为目的,针对弯曲横杆及可松弛斜拉索做了如下处理,用较小的弹性模量及相应的预应变来模拟横杆受压弯曲后刚度较小,并具有预应力的特点;用一根可拉压杆模拟两根交替松弛的斜拉索.按照上述思想将松弛前后的盘绕式伸展臂作为两种结构,分别在Ansys中建立模型,计算得到这两种结构的基频.之后将伸展臂等效为满足分段线性刚度特性的连续梁模型,其分段刚度对应斜拉索松弛前后两种结构.结合有限元模型得到的斜拉索松弛判据,建立振幅较大时盘绕式伸展臂的振动方程.使用等价线性化方法,得到盘绕式伸展臂等效频率随端部振幅的变化关系,并用Ansys的瞬态分析对上述等效频率结果进行了仿真验证.上述模型及结果可以作为盘绕式伸展臂的设计指导及振动控制的理论基础.      

太阳帆柔性结构动力学仿真分析

研究了太阳帆结构的有限元仿真分析问题.针对太阳帆航天器实际结构特点,建立合理的有限元模型;得出合理的边界预紧力的大小与方向;给出太阳帆航天器伸展臂对预紧力的屈曲模态分析以及屈曲临界载荷;进行了太阳帆结构的无预紧力结构模态分析与有预紧力结构模态分析,并对结果进行了比较.研究结果表明,太阳帆航天器预紧力结构模态分析更为合理,为太阳帆航天器控制系统工程设计与仿真提供了参考数据基础.     

索杆式伸展臂的展开驱动设计与动力学分析

结合一类索杆式伸展臂的模型制作，介绍了与该类伸展臂相关的驱动装置的技术要求、驱动机理和设计方法，并针对三种不同的驱动方案进行了比较．最后对伸展臂单元的展开运动过程进行了动力学分析．     

绳驱动拟人臂机器人的动力学建模及张力分析

与传统的机械臂相比,绳驱动拟人臂机器人采用串并混联的结构形式,模拟了人手臂肌肉的并联驱动方式,但是,绳索的引入也增加了动力学分析的难度.将绳驱动拟人臂机器人视为基座、大臂、小臂和末端四连杆串联机构,采用迭代牛顿-欧拉法建立动力学方程的递推形式,考虑绳驱动的冗余特性和绳索的单方向受力性,提出基于动态最小预紧力的张力分配算法,求解出各绳索的驱动力.与未进行张力分配的方法及基于静态最小预紧力的方法相比,所提出的算法可使各绳索驱动力根据动态最小预紧力进行实时调节,满足了不同工作条件下机构的刚度要求.     

绳驱动拟人臂机器人的动力学建模及张力分析

与传统的机械臂相比,绳驱动拟人臂机器人采用串并混联的结构形式,模拟了人手臂肌肉的并联驱动方式,但是,绳索的引入也增加了动力学分析的难度.将绳驱动拟人臂机器人视为基座、大臂、小臂和末端四连杆串联机构,采用迭代牛顿-欧拉法建立动力学方程的递推形式,考虑绳驱动的冗余特性和绳索的单方向受力性,提出基于动态最小预紧力的张力分配算法,求解出各绳索的驱动力.与未进行张力分配的方法及基于静态最小预紧力的方法相比,所提出的算法可使各绳索驱动力根据动态最小预紧力进行实时调节,满足了不同工作条件下机构的刚度要求.     

一种柔性铰链连接的柔性板结构振动模态分析

针对一种空间铰接柔性板结构的振动特性进行了分析,采用有限元分析方法给出通过柔性铰链连接的柔性板结构建模思路.利用有限元软件ANSYS对几种不同的铰链扭转刚度条件下铰接柔性板结构进行了模态分析,获得了模型结构的前五阶模态曲面及其模态频率.并比较了不同铰链刚度对铰接柔性板结构的模态振型和模态频率的影响.该分析有助于研究铰接柔性板结构的动力学和控制方案的设计、建模和分析.     

充气展开自支撑臂振动模态分析

充气展开自支撑臂是由层合铝膜和离散自支撑壳组成,可在无充气压力下实现对有效载荷的支撑。为提高充气展开自支撑臂振动特性预测精度,首先,基于Timoshenko梁理论和哈密顿原理,推导了自支撑臂振动微分方程,提出了考虑充气压力的预应力和构型变化的梁单元模型。该单元模型考虑了结构自支撑壳的离散分布特性,使建立的质量矩阵更接近自支撑臂结构的真实值。然后,通过实验对该模型进行验证,结果表明本文方法比传统梁单元模型具有更好的精度。最后,分析了充气压力和自支撑壳宽度等参数对自支撑臂结构振动模态的影响规律,结果可为充气展开自支撑臂的设计提供理论参考。      

基于径向基函数代理模型的M形杆刚度优化

在航天任务的执行中, 超弹性杆主要用于大型空间可展天线和太阳帆等展开和支撑。为了提高超弹性杆在展开状态下的刚度, 提出了一种新型M形超弹性杆, 并对M形超弹性杆的刚度进行了研究。采用ABAQUS建立M形超弹性杆的弯曲、压缩和扭转的有限元模型, 利用显示动力学法对屈曲过程进行非线性数值模拟。采用全因子法进行实验设计, 利用径向基函数(RBF)建立M形超弹性杆屈曲过程性能参数的代理模型。以弯曲刚度、扭转刚度和压缩刚度为优化目标, 以质量为约束, 选取黏结段长度和内侧带簧片圆心角为自变量建立优化模型。采用粒子群(PSO)算法进行M形超弹性杆参数优化, 得到最优刚度下, 黏结段长度为7.894 5 mm, 圆心角为26°, 并且得到刚度随其变化规律。      

不同型线柔性轴承的性能分析及比较

柔性轴承的应力分布及动态刚度特性对低温制冷机的整体可靠性尤为重要.以最大应力值、轴向刚度、径轴向刚度比为性能指标,对新设计的费马型线柔性轴承和其他两种柔性轴承进行对比研究.通过有限元分析,对比了三者之间应力分布、应力变化及刚度变化特性.设计制作了这3种不同型线的柔性轴承,并测试了3种柔性轴承的径轴向刚度,结果显示:费马型线柔性轴承的径轴向刚度之比最大,牛津型柔性轴承的径向刚度最小;费马柔性轴承的应力值最大,但最大应力值小于材料的疲劳应力,因此费马型线的柔性轴承在性能上优于其他两种柔性轴承.     

结构材料对光纤陀螺动态性能的影响

光纤陀螺（FOG,Fiber-Optic Gyroscope）在动态运用过程中输出易产生非互易性误差,分析FOG产生振动误差的原因,提出结构材料的性质对FOG动态性能有显著的影响.对作为FOG结构核心的本体采用不同结构材料,分别建立对应的FOG有限元模型,进行模态分析以及谐响应分析,定性分析结构材料的比刚度对FOG动态性能的影响,通过扫频振动和随机振动实验验证模型建立的正确性.结果表明,将比刚度高的铍铝材料替换铝合金材料应用在FOG本体上,能将FOG的一阶固有频率由1 452 Hz提高至2 213 Hz,可显著提高FOG的动态输出精度,并减小FOG整体质量,特别适用于轻小型FOG.      

松质骨微观骨小梁结构的生物力学综合分析

股骨松质骨具有骨小梁的微观结构特性,影响了股骨的整体力学性能,找到适当的单元形状与骨小梁分布特点可以有效地进行股骨生物力学特性分析．采用不同结构的微观骨小梁单元模型分析各单元的生物力学特性,并采用快速成形样件力学实验和有限元分析相结合的方法,对由不同骨小梁单元及不同分布形式构成的股骨模型进行生物力学分析,找到了较好的微观骨小梁单元模型及总体布局形式,获得了快速成形样件实验分析与有限元分析2种结果的综合分析,并应用于股骨松质骨建模．所获得的微观单元优化结构可以有效地应用于仿生结构材料的制造．      

空间索杆铰接式伸展臂性能参数分析与设计

提出了评价空间索杆铰接式伸展臂性能的主要参数,分析研究了空间索杆铰接式伸展臂的主要性能参数与伸展臂几何特征参数的相互关系.推导了伸展臂线密度、收拢率、弯曲刚度和抗弯强度等性能参数的表达式.分析了伸展臂材料特性对伸展臂性能参数的影响,讨论了空间索杆铰接式伸展臂的稳定性问题,分析了局部失稳与整体失稳的条件.基于抗弯强度约束、弯曲刚度和抗弯强度共同约束两种约束模式对伸展臂进行了设计,建立了伸展臂几何参数和线密度与抗弯强度和弯曲刚度之间的关系方程,并将设计结果与美国ADAM(Able Deployable Articulated Mast)伸展臂参数进行了对比分析.      

绳驱动机器人的解耦分析和位置控制仿真

为提高机器人的负载能力,基于几何分析和螺旋理论的基本原理,对绳驱动 拟人臂机器人的构型设计、钢绳传动方式和运动学控制问题进行了深入的分析.首先针对绳 驱动走线方式的多样性选择,设计了一种具有肘、腕关节耦合和肩、肘关节耦合的绳驱动传 动机构;然后以肩、肘、腕7-DOF关节为中间媒介对机器人末端和驱动钢绳间的运动学关系 进行了分析,即先考虑机器人末端位姿和各关节角度之间的关系,再研究各关节角度和其相 应的驱动钢绳绳长之间的关系,从而得到绳驱动机器人的运动学解;最后进行了仿真研究. 仿真结果显示机器人的关节角度和绳长变化曲线十分平滑,末端的实际轨迹跟踪理想轨迹的 误差非常微小,说明建议的算法正确,绳驱动机器人运行理想,可以有效克服常规机器 人自重过大带来的负面影响.      

用区间牛顿法跟踪结构的后屈曲路径

结构后屈曲分析传统上都是采用弧长控制法来处理.考虑到区间牛顿法求解非线性方程组的全局收敛性质,本文建议将这种方法用于跟踪结构后屈曲平衡路径.文内建立了将区间牛顿法用于有限元控制方程的增量求解迭代格式.在低载荷水平下,为减少迭代次数采用了小区间半径.当时间步接近临界点时,方法可以自动搜索出屈曲前和屈曲后的2个平衡构形,然后在屈曲后构形基础上跟踪临界点后的路径,这样就可以避免在临界载荷处由于刚度矩阵奇异而使迭代不能继续的数值困难.典型的数值算例证实了新方法的有效性,同时也表明算法能毫不费力地处理所谓"位移回弹"(snap-back)问题.