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。     

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。     

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。     

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。     

基于空间RURS机构的三维仿生扑翼机构设计与分析

为实现仿昆虫翼尖的空间“8”字型运动轨迹，设计了一种基于空间revolute-universal-revolute-spherical(RURS)四杆机构的扑翼机构，通过单自由度驱动即可输出三维的空间“8”字轨迹。运用Denavit-Hartenberg参数法建立了空间四杆机构的运动学模型，利用遗传算法对机构进行了优化，得到了利于扑翼飞行的机构参数。基于该空间四杆机构的优化结果，建立了一种微型的扑翼机构虚拟样机，通过ADAMS仿真得到其输出运动并验证了运动学理论计算的正确性。所设计的扑翼机构扑动幅度达到149.8°，扭转角度达到29.9°，且“8”字型扑动规律与昆虫翅膀的运动更为相近。扑翼机构的最大尺寸不超过5.8cm，仿真发现的时间非对称扑动对气动性能有一定提升，对于微型化、轻质化、高效化扑翼飞行器的研究具有重要的参考价值。      

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。     

月球钻取采样机构的钻杆结构与运动参数分析

针对月球钻取式自动采样机构空心外螺旋钻杆取样过程,分别建立了月壤内聚力和月壤内摩擦系数随月壤深度变化的数学模型,建立了钻进过程中钻杆运动参数(钻进速度和钻杆转速)与钻杆结构参数(钻杆螺旋升角、外径、槽宽比和螺旋槽深等)之间的关系。建模过程考虑了月壤物理和机械特性随钻进深度变化特性、钻杆钻进牵连速度及月壤微元相互间的抗剪性,使得钻杆参数符合月球钻取采样的实际工况。对模型进行了验证,利用该模型开展了钻杆结构参数对运动参数的影响分析,给出了钻杆结构参数对钻杆运动参数的影响规律,获得了钻杆结构参数的最佳取值范围。以钻杆转速与钻进速度比最小为优化目标,以结构参数为设计变量,基于遗传算法对钻杆结构参数进行了优化,优化后的钻杆转速与转进速度比降低了13.8%。该优化结果降低了系统能耗,提高了钻取采样输月壤效率,可为钻取式自动采样机构的设计提供理论依据。     

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。     

Optimal Design of Stewart Platform Safety Mechanism

提出了基于连杆空间优化设计一种在整个杆长范围内可以随意运动的安全机构的思想。通过分析得出了 Stewart 平台型并联机构的 16 种极限状态,利用同伦法和奇异点判别条件对极限状态的奇异点进行了求解,得到连杆长度的最大值,并通过实例分析了机构在极限状态间运动时铰链转角和连杆间距离的变化情况。然后综合考虑各项约束条件,提出了安全机构检验算法。以极限状态的条件数均值最小为优化目标优化机构的所有结构参数,设计出具有较好的全局运动性能的安全机     

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。     

Optimizing accuracy of a parabolic cylindrical deployable antenna mechanism based on stiffness analysis

Accuracy of the fitted surface is of great importance to the performance of deployable antennas utilized in space. This paper proposes a stiffness analysis based fitting accuracy optimization method for achieving the optimal parameters of the parabolic cylindrical deployable antenna mechanism. The stiffness matrix of the proposed cylindrical antenna mechanism is established by assembling the stiffness of beams and tension cables. Structural deformations of the mechanism are calculated where the tensioned cable is substituted by a 2-node truss element and an equivalent force acting on the joint. Consideration of the tensity of tension cables, namely tensioned or slack, is transformed into a typical linear complementarity problem. Comparison between structural deformations of the mechanism fixed at different points is performed. Sensitivities of the geometric and structural parameters on fitting accuracy are investigated. Influence of force of the driven cable on structural deformations of antenna operated in different orbits is conducted. A fitting optimization method is proposed to minimize the structural deformations subject to constraints on volume and mass. Simulation result shows that the fitting accuracy of the antenna mechanism is improved significantly through the optimization. The proposed method can be utilized for the optimal design of other deployable mechanisms constructed by joining rigid links.     

Deployment dynamic analysis of deployable antennas considering thermal effect

Dynamic analysis of flexible multibody systems is complex. Several successful methods have been demonstrated. However, few works discussed the dynamic performance of the flexible multibody under different temperatures. This paper uses the absolute nodal coordinate formulation to analyze the flexible body dynamics of deployment structures under different temperatures to simulate space environments. The dynamic equations of finite element in temperature field are developed. Then a computer-aided simulation of flexible multibody systems in temperature field is implemented. A general four-bar mechanism under different temperatures as a simulation example is demonstrated, and the deployment characteristics of a special four-bar mechanism as a basic module of the hoop truss deployable antenna is analyzed under different temperatures in order to evaluate the dynamic performance of the deployable antenna in space environments. The simulation results indicate the influence factors of deployment dynamic characteristics include the structural form, material properties, geometric parameters and deployment planning in ambient and thermal/vacuum environments.     

大面积气动加热的石英灯阵模拟优化设计

针对结构热试验模拟的精细化需求,对大面积气动加热的石英灯阵模拟优化设计进行了研究。发展了石英灯阵辐射热流模拟程序,分析了采用传统单灯热流分布数据库插值叠加获得的石英灯阵热流分布的适用范围,基于遗传算法,发展了以灯阵中各灯功率为优化参数的石英灯阵热流模拟优化设计方法,并基于所建方法对某飞行器结构部件迎风面气动加热进行了灯阵模拟,获得了灯阵加热和气动加热条件下迎风面温度变化特性。结果表明,基于本文方法对石英灯阵中各灯功率进行优化设计,采用简单石英灯阵即可有效地模拟大面积非均匀气动加热,从而有效提高试验模拟精度,但前缘等位置的高热流区模拟精度有待进一步提高。     

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。     

光波纳米推进技术中的表面等离激元增益光镊作用机理

为研究天线不同结构对表面等离激元（SPP）增益光镊作用的影响,建立天线-基底的电磁波传输耦合激元电场触发光梯度力的数值模型,并利用数值模型分析天线不同结构对SPP电场的影响规律,同时,这种电场变化规律对光镊增益有直接的数学关系,基于上述物理机制,获得不同天线结构对光梯度力产生的优化策略。为验证上述物理机制与优化策略的有效性,开展纳米颗粒的粒子图像测速（PIV）试验,天线材料为银,基底为二氧化硅,纳米颗粒为银,试验能够完好地观测到纳米颗粒在天线通道的运动情况。结果表明,光梯度力的增益机制在于激元电场强度和梯度两方面因素,前者随天线不对称性增强而先增大后减小,后者呈现一直增大趋势;纳米颗粒推动作用力的计算误差约为5.5%~13.8%,且试验值与计算值的趋势相符,一方面验证本文研究机理及优化策略的有效性,另一方面证明PFP技术的原理可行。     

Aeroelastic two-level optimization for preliminary design of wing structures considering robust constraints

An aeroelastic two-level optimization methodology for preliminary design of wing struc- tures is presented, in which the parameters for structural layout and sizes are taken as design vari- ables in the first-level optimization, and robust constraints in conjunction with conventional aeroelastic constraints are considered in the second-level optimization. A low-order panel method is used for aerodynamic analysis in the first-level optimization, and a high-order panel method is employed in the second-level optimization. It is concluded that the design of the abovementioned structural parameters of a wing can be improved using the present method with high efficiency. An improvement is seen in aeroelastic performance of the wing obtained with the present method when compared to the initial wing. Since these optimized structures are obtained after consideration of aerodynamic and structural uncertainties, they are well suited to encounter these uncertainties when they occur in reality.     

基于粒子群算法的核屏蔽感应电机多目标优化设计

屏蔽感应电机是核反应堆冷却回路的动力源,提高该电机的效率和降低电磁噪声具有重要的意义。将有限元法和磁路法相结合,设计了1台20 kW核屏蔽感应电机。利用有限元软件对其进行额定工况运行状态下噪声和损耗仿真分析,确定影响电机效率和电磁噪声的主要参数；选取影响电机效率和噪声的主要参数为优化变量,电机电磁噪声和效率为优化目标,输出功率为约束条件；采用正交试验表获得样本空间；通过响应面法建立优化目标及约束条件的优化模型,最后利用粒子群算法对优化模型进行求解。有限元仿真结果表明:优化后电机效率提高了2.6%,电磁噪声降低了5.2 dB。     

Simultaneous optimization of structure together with attached tuned mass dampers considering dynamic performance

Tuned Mass Dampers(TMDs) are often attached to a main structure to reduce vibration, and the TMDs’ positions are important to affect the structural dynamic performance. However, the TMDs’ positions and the material layout of the structure act on each other. This paper suggests a design optimization method by combining the topology optimization of the main structure and the layout of the attached TMDs under harmonic excitations. The main structure with the attached TMDs are modeled by the continu...     

Structural design and model fabrication of cable-rib tensioned deployable parabolic cylindrical antenna

Deployable mechanisms with light weight and high storage ratio have received considerable attention for space applications. To meet the requirements of space missions, a parabolic cylindrical deployable antenna based on cable-rib tension structures is proposed and verified by a physical prototype. The parabolic cylindrical antenna adopts simple parallel four-bar mechanisms to construct the basic deployable unit, and the cylindrical direction dimension can be easily extended by modularization, which has obvious advantages in storage ratio and area density. Considering the complexity of the entire antenna structure design, including cable networks and flexible trusses, the form-finding design optimization model of a parabolic cylindrical antenna is established using the force density sensitivity method, and then the kinematics analysis of the deployable mechanism is carried out. Finally, a single-module prototype with a deployable diameter of 4 m × 2 m was designed and fabricated. The results of the ground deployment process test and surface accuracy measurements show that the antenna has good feasibility and practicability.