构架式可展天线机构自由度分析——拆杆等效法

针对四面体构架式可展天线机构的多环耦合特性,提出了一种空间多环耦合机构的自由度分析方法——拆杆等效法。首先拆除四面体基本可展单元机构的耦合约束链,将剩余部分视为一个并联机构,然后应用螺旋理论分析各输出节点的自由度数目及性质,进而构造各输出节点与定节点之间的等效串联运动链,最后复原拆除的耦合约束链得到四面体基本可展单元的等效机构,应用修正的G-K公式计算等效机构的自由度数目,并基于反螺旋理论分析等效机构的自由度性质,从而获得四面体基本可展单元的运动特性。根据四面体基本可展单元的等效机构及其组合方式对最小组合单元及大尺寸构架式可展天线机构的结构进行了化简,并根据其几何特征约束方程推导了最小组合单元及大尺寸构架式可展天线机构的自由度。建立了由27个四面体基本可展单元组成的构架式可展天线机构的仿真模型,对该机构的自由度进行了验证,结果表明提出的拆杆等效法求得的自由度正确,为进一步分析此类天线机构的运动学和动力学奠定了基础,同时为其他类型的空间多环耦合机构的自由度分析提供了一种新的思路。     

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。     

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。     

一种双向平板折展单元机构及其运动过程分析

为满足更大物理口径的平面可展开天线，提出了一种新的可拓展的双向平板折展单元机构，并对其拓展方式、自由度和运动学特性进行了分析。首先，结合四棱锥和三棱锥机构，设计了一种新的双向平板折展单元机构构型，并简述其基本组成和拓展规律。其次，根据展开运动特性，将机构简化为平面机构，并计算了自由度，确定了驱动数目和位置。最后，采用闭环矢量法建立其运动学模型，分析了展开轨迹、奇异位置及杆件角度、角速度和角加速度等运动特性。将运动学模型的解析解与仿真结果进行对比，验证了运动学模型的正确性。     

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。     

四棱锥单元平板式可展开收拢机构的

 基于7杆闭环机构提出一种新型四棱锥单元,其可作为一种基本可展机构单元,组合成大型可展机构。利用机构学方法研究,分析了单元机构的自由度、运动学和奇异性,给出了单元组合方法并基于四棱锥单元机构设计了一平板式可展开收拢机构,最后计算了机构的伸缩比。分析结果表明,这种单元机构组合方便简单,组合后的机构自由度为1,便于机构的展开收拢控制。当机构完全展开时,由于其奇异特性,机构有较好的力学性能。利用这种单元可以设计出新型大型可展开收拢机构,在航空航天领域有很好的应用前景。     

一类空间对称6R机构的运动学研究及组合应用

可展开平板机构已广泛应用于平板天线、太阳翼等航天机构产品。为提高可展开平板机构的刚度和展收比,将空间对称6R机构应用于可展开平板机构设计。首先,根据约束条件,计算后给出了一种空间3R运动链的几何参数关系;然后,结合螺旋理论,分析了该3R运动链的约束螺旋系;进而根据对称性,研究了空间对称6R机构的自由度、奇异性等运动特征;在此基础上,提出了一种特殊的空间对称6R转动机构;最后,研究了空间对称6R机构的组合方法,设计出一种新型单自由度可展开平板组合机构,并对其进行了运动学仿真验证。该可展机构具有二维方向的展开收拢能力,为可展开平板机构的创新设计提供了有益参考。     

四棱锥单元平板式可展开收拢机构的运动特性分析

基于7杆闭环机构提出一种新型四棱锥单元,其可作为一种基本可展机构单元,组合成大型可展机构.利用机构学方法研究,分析了单元机构的自由度、运动学和奇异性,给出了单元组合方法并基于四棱锥单元机构设计了一平板式可展开收拢机构,最后计算了机构的伸缩比.分析结果表明,这种单元机构组合方便简单,组合后的机构自由度为1,便于机构的展开收拢控制.当机构完全展开时,由于其奇异特性,机构有较好的力学性能.利用这种单元可以设计出新型大型可展开收拢机构,在航空航天领域有很好的应用前景.     

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。     

复环桁架可展天线设计与力学分析

为了实现更大口径的展开天线,现有的单环周边桁架天线容易出现面外刚度不够,有必要进行改进.利用剪式铰展开单元,提出复环桁架天线结构方案,与已有的方案进行设计参数和工程可实现性比较.推导了剪式铰展开单元的刚度矩阵,进行剪式铰桁架天线结构的力学分析.利用广义逆矩阵理论,提出了一种切实有效的数学算法并构造了约束方程及其雅可比矩...     

空间对称型7R机构运动特性分析及组合应用

提出了一种空间对称型7R机构，可利用此机构组合构造空间可展开机构。通过旋量拓扑图分析了其整体自由度，得到了其运动副轴线方位变化时整体机构自由度数目的变化情况；基于反螺旋理论分析了运动副轴线方位不同的情况下运动输出构件的自由度数目和性质，并针对其瞬时性做了判别，发现其在不同运动副轴线方位布置情况下会出现局部自由度与瞬时自由度；分析了机构在不同驱动情况下的奇异特性，得到了机构在不同的驱动下处于奇异位形时的几何条件；最后选定自由度为1时的空间对称型7R机构组合构造了一类单自由度多棱锥型空间可展开机构，通过设置其运动副轴线方位，可以使其具有较大收拢率，同时当机构完全展开时，奇异特性使得其具有较好的力学性能。通过多个棱锥型空间可展开机构的组合，可以构造出新型大尺度空间可展开机构，在航空航天领域具有较好的应用前景。     

环向张拉弹性肋可展结构概念与初步分析

针对反射面型面精度有较高要求的空间可展天线,设计出一种环向张拉弹性肋可展结构,通过可展桁架的变形实现结构的展开与收纳。展开状态下,环向索与反向张力索的拉力使弹性肋发生弯曲变形,将反射面分割为含有曲线边界的网格,从而提高反射面型面精度。结构具有较高的对称性,将反射面支撑结构部分的整体受力机理简化为单根大变形梁横向力作用下的弯曲变形问题,便于对天线型面进行精度的优化设计。采用遗传算法,以可展天线结构可能达到的型面精度为目标函数,对其几何参数及索力分布进行数值优化,并对设计变量的影响效果进行分析。结果表明:采用变截面梁作为弹性肋对型面误差的降低较为有效,反射面型面精度与天线焦径比、弹性肋数目等因素有关。     

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。     

3RR-3URU四面体可展天线支撑机构结构设计与模态分析

针对四面体构架式可展天线研制过程中结构设计和模态分析的问题,根据3RR-3URU四面体可展开机构单元的机构特征,按照型面划分之后的结果确定了反射面节点的位置;考虑基本单元的轴线分布,确定了支撑机构中各单元的轴线分布,使用Solidworks软件分别绘制出了包含花盘、同步杆、腹杆所有构件几何参数的3D草图;完成了各零部件的详细结构设计,选取其中心位置的最小组合单元,完成了模态分析,得到了其前6阶的固有频率和振型分布,结果表明,单元在低阶模态下表现为整体振动,高阶模态下则表现为局部振动。     

一种星载伞天线展开机构研究

天线展开机构使用动力绳实现天线展开和收拢过程中易出现动力绳松弛、脱槽现象。以星载高精度伞状天线展开机构为研究对象，分析天线展开机构的工作原理；利用解析法获得展开机构的运动方程，结合天线展开机构运动部件结构参数，得到天线展开过程中展开机构动力绳的松弛规律；建立以展开机构结构参数为设计变量，以动力绳松弛量最小为目标的展开机构结构优化模型，通过模拟退火法进行求解，得到优化的展开机构结构参数，通过优化前后的展开机构展开、收扰功能试验，测试了机构工作时动力绳的松弛量，验证了展开机构优化的正确性。结果表明：优化后的展开机构动力绳松弛量较优化前降低了90%，优化效果显著。     

大型深空测控天线副反射面控制技术

针对大口径、高频段深空测控天线主/副反射面变形引起的天线电性能下降问题,采用副反射面控制技术实现天线的电性能补偿。首先,在分析并联机构数学模型的基础上,结合并联机构坐标系定义,给出六自由度并联机构位姿的正、逆解;其次,根据变形后天线形状采用抛物面拟合法给出副反射面位姿与仰角的关系,这样在天线实时运动过程中,可根据仰角查找出副反射面位姿最佳工作点;最后通过六自由度并联机构正、逆解及控制算法控制副反射面到最佳位置和姿态上。理论分析和工程实践表明,副反射面控制技术通过控制副反射面中心到最佳焦点位姿上,可实现对天线电性能的有效补偿。六自由度并联机构控制具有自身承载力强,位置、姿态控制灵活等特点,适合于大型天线副反射面实时精密控制。     

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。     

二自由度平板折展柔性铰链的分析及优化

为提高平板折展机构(LEMs)的灵活性,提出了一种能实现平面内及平面外转动的二自由度柔性铰链。首先,综合椭圆柔性铰链与LET柔性铰链的结构特点,设计了二自由度平板折展柔性铰链;其次,利用弹簧模型推导了该铰链两个方向的转动等效刚度计算模型,并通过设计实例的理论计算与有限元仿真分析对比,验证了两个理论模型的正确性;然后,探讨了各结构参数对铰链两种转动刚度的影响;最后,以提高二自由度平板折展柔性铰链的转动性能为目标,建立了其优化设计模型,并采用自适应粒子群优化算法对该铰链的结构参数进行了优化。优化结果表明:铰链y轴方向转动刚度下降了83.60%,z轴方向转动刚度下降了92.73%,二自由度平板折展柔性铰链两个方向的转动性能都得到了极大的提升,优化结果完全符合预期。     

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。     

大型射电望远镜天线副反射面调整系统设计与实验研究

为满足大型射电望远镜天线运动过程中由于重力变形而引起的天线性能和指向的变化以及L频段馈源工作任务,根据多自由度调整以及工作空间范围等设计要求确定了"上海65米射电望远镜系统"天线副反射面调整机构的构型;在满足天线工作任务要求的基础上,对机构进行了构型尺寸参数优化,并在各个尺寸参数优化确定后对天线副面调整机构进行了结构设计;对天线副面调整机构进行了标定实验,并开展了副面调整机构动态跟踪精度测量实验研究,实验结果均达到了设计要求。面向工程实际任务进行设计与实验研究,研究成果对并联机构真正应用于工程实践具有重要的指导意义。