模块化可展开天线支撑机构运动学建模与分析

模块化可展开天线具有拓展性强、灵活性高、适应性好等特点，是满足未来可展开天线大口径发展趋势的一种较为理想的结构形式。为研究由六棱柱模块组成的可展开天线支撑机构多模块联动展开运动特性，提出一种多模块联动展开运动学建模方法。根据可展开天线的结构组成及展开原理，建立了可展开天线机构关键点的空间几何模型，基于机器人学中的D-H法和坐标变换等理论，分别建立了基本单元、单模块和多模块的运动学模型，最后采用MATLAB数值仿真软件，对运动学模型进行了验证及分析。结果表明：该运动学模型可以对多层模块的可展开天线机构进行运动学分析，各模块实现了协调联动、同步展开，同时该模型为机构的动力学特性分析、动力源配置及优化等研究提供了研究基础。     

一种新型可展组合单元的自由度与运动学分析

提出了一种新型多自由度可展机构9RR-12URU,可作为大口径构架式可展天线支撑机构的最小组合单元。该机构包含3个3RR-3URU四面体可展单元,基于螺旋理论分析了单个四面体可展单元的自由度,进而采用拆分杆组法得到了9RR-12URU组合单元机构的自由度。基于节点的空间几何位置和坐标变换矩阵推导了可展组合单元机构在收拢/展开过程中各节点位置和速度的解析表达式,并采用RPY角描述了各节点相对于定节点的姿态变化。基于Adams软件对9RR-12URU组合单元机构的自由度和运动学理论分析进行了仿真验证,结果表明该机构具有收拢和调姿两种自由度,使机构达到最大折叠比。该新型多自由度可展组合单元机构结构简单、折叠比大,可用于曲面构架式可展开反射器中。     

剪叉伸缩竖杆式环形桁架机构设计与性能分析

空间可展开天线的展开平稳性是天线顺利展开的关键。天线的收展比是运载火箭空间配置的重要参考因素。为减小天线展开过程中的振动冲击,提高展开平稳性,降低空间可展天线收展比,梳理了可展开天线桁架机构的常见构型,提出一种剪叉伸缩竖杆式环形桁架机构,并详细介绍了该机构的基本单元及展开方式。对该机构的收展比进行具体分析,结果表明在相同口径和展开高度的情况下该机构的高径比比Astromesh天线桁架机构减小了35%左右。对该机构进行运动学和动力学建模,分析了机构展开平稳性,结果表明在相同大小驱动力作用下该机构的各节点加速度均方根是Astromesh天线桁架机构的30%左右,具有更好的展开平稳性。试制了缩比模型并进行了展开实验及相关参数测试,验证了机构设计的合理性及计算结果的准确性。     

基于Bennett机构的柱面拟合可展机构设计及分析

可展机构既可展开至指定构型用于工作,也可收拢以便于运输,在航天和建筑等领域具有广阔的应用前景。本文提出并设计了一种以Bennett过约束机构为基本组成单元的可展机构,该机构的工作形面可拟合柱面,且具有全部杆件可紧凑折叠成一束的收拢构型。对Bennett机构进行了几何描述,并分析其运动学特性;利用剪式机构实现了单元机构的组合连接,保证了设计关键点准确位于目标参数曲面上,计算了所设计的可展机构的展收比;对机构的运动学及动力学性能进行了仿真分析,验证了所提出的设计,为后续的样机研制提供了理论依据。验证结果表明:本文提出的Bennett过约束机构单元组合简单、形面拟合精度高、刚度大,能够很好地应用于该圆柱面天线的设计。该研究对航天可展机构的设计分析具有参考价值。     

五面体可展桁架单元展开特性分析

为满足大型空间桁架结构太空在轨装配的需要，根据五面体可展桁架单元可以组合成多种类桁架结构的特点，设计了一种五面体可展桁架单元，发射到太空后用于桁架结构的组装。为分析五面体可展桁架单元的运动特性，利用螺旋理论对该五面体可展桁架单元进行了自由度分析；采用了D-H坐标变换方法对该五面体可展桁架单元进行了运动学分析，并推导了展开过程的运动学方程；采用拉格朗日法对五面体可展桁架单元进行了动力学分析，给出了展开过程的动力学方程。分析结果表明，该五面体可展桁架单元展开过程中自由度为1；推导的运动学公式曲线结果与Adams仿真软件的仿真结果高度吻合，能很好地描述该结构的展开运动过程；增大扭簧的刚度对展开的运动参数变化趋势没有明显影响；节点的加速度不仅与扭簧的驱动力有关，还和节点位置和速度有关。在展开后期，节点位置和节点速度对节点加速度的影响比较明显。     

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。      

大型星载展开天线动力优化设计

对周边桁架式星载展开天线的动力优化问题进行了研究．分析了天线的结构特点，对结构预应力设计变量进行了选择和归并．讨论了以天线结构质量为目标函数，以周边桁架各单元的截面积和反射索网中各拉索单元预应力为设计变量，在优化中同时考虑天线结构的反射面精度要求、天线的动力性能和静力性能要求的展开天线动力优化设计问题，建立了天线结构的动力优化数学模型．最后，将该模型应用于某17m口径的天线结构，并利用改进后的遗传算法对其进行了优化计算，取得了比较满意的结果．     

构架式可展天线电性能研究

提出了一种构架单元式的展开桁架天线. 对构架式可展天线的电性能进行了研究, 以确定较优的设计参数和结构方案. 针对可展 反射面形态的具体特点, 基于几何光学原理, 推导了可展天线远场的电场强度公式, 将口径面划分成矩形网格, 用数值方法对远场场强进行积分, 得到天线反射面 的方向图. 进而编制相应程序, 用于分析不同设计参数的构架式天线反射面的电性能. 该方法直接将结构变形与天线电性能相联系, 避免了通过均方根换算带来的额外 误差, 使得设计更准确. 此方法同样适用于标准抛物面或者任何已知缺陷反射面的辐射场计算.      

可展桁架天线在轨运行中温度场分析

利用热传导辐射理论,并引入天线所处的轨道条件。可计算可展桁架抛物面天线在轨运行时不同时刻的温度场.利用Fortran语言,编制了基于上述理论的有限元程序,可计算各种轨道条件下不同时刻天线的温度场.还可用于指导天线的热变形分析和热控制设计.      

构架式可展开天线自由度与奇异性分析

针对以四面体为基本单元的构架式空间可展开天线,基于螺旋理论分析了多环耦合机构3RR-3RRR基本单元及多单元组网的自由度,降低分析此构架单元过约束与奇异性的复杂性。首先,根据螺旋理论能同时表示运动副轴线的位置和运动副类型的特点,建立了3RR-3RRR单元各铰链的运动螺旋并求解出单元过约束数;其次,运用修正的Kutzbach-Grübler公式求解出此单元的自由度,并分析出在特殊位形下的奇异性和瞬时性;最后,多单元组网成一个复杂耦合机构,采用等效构型的方法简化组网结构可得此天线反射器收展所需自由度,再通过计算各花盘的相对间距来验证构架可展开天线的收展协调性。研究表明构架式天线反射器3RR-3RRR四面体单元为单自由度机构且含有4个过约束,便于机构的展开控制,在同步杆铰链处于特殊位形下有约束奇异。组网后反射器桁架系统是单自由度机构,机构在单驱动运动过程中可展开完全,实现构架可展开天线各杆件在工作时运动协调,在空间机构领域具有良好的应用性。     

考虑摩擦的周边桁架式可展天线展开动力学分析

结合一种周边桁架式可展天线的模型制作,介绍了该类天线的总体布局、展开收纳机理和设计要点;然后提出了切实有效的数学算法,有效地构造了约束方程及其Jacobi矩阵,实时地模拟了结构收纳过程的约束条件,采用广义逆矩阵的方法分析了周边可展桁架运动过程;研究了摩擦这一非线性因素在其展开过程中的作用机理,建立其展开动力学模型,实现了考虑摩擦的周边桁架式可展天线结构展开动力学分析.编制了仿真程序进行算例分析,验证了分析方法的有效性.      

可展桁架天线温度场和热变形分析

对一个可展桁架式抛物面天线，利用有限元法，将可展支撑桁架划分为一维辐射-导热杆单元，将反射面划分为二维辐射-导热三角形膜单元，以此模型，计算和分析可展桁架天线在空间环境中的温度场和热变形，得到了可展桁架天线温度场和热变形特点，以及可展支撑桁架对天线整体温度场和热变形的影响．     

展开桁架天线热致振动数值分析

对一展开桁架抛物面天线, 利用有限元法, 建立瞬态热平衡方程, 针对空间天线和热致振动的特点, 提出温度场在时间域上收敛于正确解和稳态解的收敛准则; 利用节点温度, 模拟热动力荷载, 对天线典型节点热致振动位移和天线形面精度进行了数值分析. 研究表明, 热致振动发生在热动力荷载急剧变化的初时阶段, 合适的阻尼和结构形式可以消除热致振动; 结构的热致振动响应, 主要集中在结构固有振动特性中的各向主振动; 由热致振动引起天线形面精度误差, 呈现由急剧振动趋于静态的特性, 但初始的振动幅值较大.      

可展桁架天线形面精度理论分析

针对可展桁架天线杆件多和转动铰多的特点, 研究杆件加工公差和转动铰间隙对天线反射面精度和重复展开精度的影响. 根据杆件加工公差和转动铰间隙发生的随机性, 建立相应的随机数据模型和Monte-Carlo随机有限元模型, 计算杆件加工公差和转动铰间隙所引起的天线反射面精度误差. 研究表明, 间隙所引起的反射面精度误差远大于杆件公差所引起的误差, 并且天线重复展开精度差值不宜忽视.      

构架式可展开天线反射器模块化构型设计优化

针对构架式可展开天线反射器模块化构型要求, 基于螺旋理论分析了模块及多模块组网的自由度,采用模块组合思想降低了构架式可展开天线反射器结构设计复杂性。首先,在由四面体单元组成的构架式天线反射器结构基础上,利用3个相同构型的3RR 3RRR四面体单元构建平面模块,再采用模块间花盘与花盘连接方式组网形成构架天线反射器;其次,基于构架式天线反射器的可收展的期望运动,运用螺旋理论验证模块化构架式天线的可展性;最后,针对花盘姿态变化型综合,优化模块间连接运动副,使构架式可展开天线反射器收拢后达到最大收纳比。研究表明模块化构架式可展开天线反射器具有可展性,当模块间采用万向副连接时,组装的二圈模块化天线反射器为8自由度机构且能完全收拢。模块组网后的构架天线反射器具有收纳比高、自由度少的优点,在较少驱动下可使天线展开完全和展开可控,在航天机构领域具有良好的应用性。     

折叠式桁架机构展收运动动力学建模和分析

针对一类折叠式桁架结构系统 ,导出了其展收运动动力学模型 ,提供了求解相应的非线性微分———代数方程组的方法。桁架系统展收运动仿真算例表明 ,由于所建立的动力学模型规模较小 ,所提供的求解方法不需迭代 ,因而数字仿真所需的计算时间很少 ,并可避免采用通用的商用动力学仿真软件出现的求解困难     

带间隙伸展机构力学仿真研究

针对带铰接间隙大型桁架式伸展机构的动力学方程,分析了方程的非线性特性,研究了其数值求解方法,以梁和典型伸展机构平面模型为例进行了仿真分析,得到了结构的非线性动响应情况,与实验比较,证实了仿真的有效性。最后给出结论。