空间六杆机构的误差分析及考虑公差和间隙的多目标优化综合

本文主要以5R—C机构(R表示转动副,C表示圆柱副)为例,进行了空间六杆机构的误差分析与多目标优化综合。为便于上机计算,对于多杆空间机构误差分析中所用的偏导数,文中利用机构封闭性的各种等同条件,通过含有较少中间运动变量的线性方程组求得。对于各种常见运动副中的间隙误差矢量采取了折算为有关结构参数的附加量的方法,通过所建立的随机模型进行了统计分析以得到实际影响大的统计量。在误差分析的基础上,本文进一步对空间连杆机构提出了通用性较强并且考虑公差和间隙的多目标优化程序。     

运动副间隙对卫星天线双轴机构动态特性影响

卫星天线指向精度要求高,天线驱动机构中有运动副的存在就不可避免地含有间隙,研究间隙等非线性因素对卫星天线驱动机构动态特性影响尤为重要。以某型卫星天线双轴驱动机构为研究对象,基于虚拟样机技术,采用非线性弹簧阻尼模型建立了间隙处的接触碰撞模型,同时采用库伦摩擦模型考虑运动副间隙处的摩擦作用。通过对虚拟样机进行动力学仿真,分析研究了运动副间隙及其大小、不同驱动力矩等因素对双轴驱动机构动态特性的影响规律。结果表明:间隙及过大的驱动力矩将使天线定位精度降低、稳定性变差。综合考虑各因素影响,对卫星天线系统进行结构优化,是提高天线定位精度的有效途径。     

考虑磨损后含间隙指向机构运动特性

为了提高空间指向机构磨损寿命的预测精度,克服传统静态磨损寿命预测的缺陷,计及间隙、摩擦磨损耦合因素,以实现机构关节动态磨损的精确预测,并对综合考虑间隙、摩擦磨损等因素的空间二维指向机构动力学问题和磨损问题进行了研究。采用牛顿 欧拉法,将间隙变量嵌入动力学模型,构建含间隙二维指向机构的动力学模型。基于Archards磨损模型,找到运动副接触面不同位置处的磨损深度,重构运动副表面形貌,并对磨损前后含间隙指向机构的动态特性进行分析,得到了关节处接触碰撞力和切向摩擦力的变化规律;采用动态拟合变量法和离散处理法分别对含间隙运动副内部间隙与接触力间、运行时间与相对滑移速度间的对应关系进行拟合,并建立了动态磨损数学模型;进一步预测了二维指向机构在跟踪模式、调姿模式下的运行时间分别为1259192h、76444h。研究工作为二维指向机构的本体设计、制造与应用奠定基础。     

含铰链间隙板式卫星天线展开精度分析

板式卫星天线展开机构在航天领域有着广泛的应用,其空间尺寸大,拓扑结构复杂,构件之间多用铰链联结,卫星天线对指向精度要求较高,应考虑铰链间隙对指向精度的影响。含铰链间隙的卫星天线展开机构的指向精度分析建模复杂、求解困难,为此提出了矩阵法分块建模的分析方法,将复杂的整机模型分解成锁定机构计算模型与2个单闭环机构计算模型,分别分析计算铰链间隙对其精度造成的影响,建立整机的计算模型并采用粒子群优化算法进行求解,得到某特定构型的板式卫星天线在极恶劣工况下展开的指向误差为0.067°。研究表明,建立的计算模型精度高,通过智能优化算法求解可以快速得到卫星可展开机构的指向精度极恶劣值,为展开机构的误差补偿设计提供参考。      

考虑运动副间隙的剪式线性阵列可展结构动力学分析

为了精确研究剪式线性阵列可展结构的动力学性能,在该机构的运动副中引入间隙,通过含间隙转动副元素之间的运动规律建立了该运动副的运动学模型。基于Gonthier接触力模型和修正的Coulomb摩擦力模型分别计算了含间隙转动副元素之间的法向与切向接触力。进一步把该接触力转换到间隙运动副所联接的杆件与滑块的质心处,并将其集成到剪式可展结构动力学模型的广义力中,从而成功地将关节间隙效应引入到可展结构中。采用一种新的违约校正法直接对系统的坐标和速度进行修正,避免了数值结果的发散并可确保将违约控制在给定的精度范围内。通过数值分析预测了运动副间隙对剪式线性阵列可展结构动力学性能的影响,为研究可展结构的运动精度和机构设计提供了参考和依据,拓展了间隙碰撞模型的应用范围,有利于工程实际应用。     

空间2-RSSS机构的误差分析

对低速运动带间隙空间2-RSSS机构的误差展开研究,首先建立了带间隙的空间2-RSSS机构的误差模型,并基于二力杆假设把约束副间隙误差转化成为杆长误差,在保持精度的条件下简化了误差模型.其次推导了敏度矩阵的参数化表示,并建立了该机构的误差仿真模型,求解了敏度矩阵的参量,该敏度矩阵解法结合了符号推导的规律性明显和数值计算结果精确的优势.最后基于数值仿真验证了近似敏度矩阵求解的有效性,并对该机构的误差进行了分析,给出了在确定加工精度条件下约束副间隙影响指向误差的关键参数以及这些关键参数的优化设计准则.      

含滚阻摩擦平面多体系统的建模和数值方法

针对含滚阻和摩擦的平面多体系统,给出了通用的力学模型,利用第一类Lagrange方程建立了系统的动力学方程,为便于约束力的计算,利用局部方法列写约束方程,并以矩阵形式给出了该系统滚阻力偶和摩擦力的广义力.该系统动力学方程是非光滑的,通过建立滚阻定律的互补条件以及光滑铰链约束力的互补条件,给出了具有约束稳定化的基于事件驱动法的数值算法,将非光滑约束力、铰链约束力的求解以及滚轮滑动与粘滞的判断问题统一转化为一个线性互补问题进行求解.对两个算例进行了数值仿真,算例数值结果表明了该方法的可行性和有效性.     

空间开链和闭链连杆机构运动误差研究的微小位移合成法

本文提出了一种通用性强、适应面广和简单实用的连杆机构运动误差研究的微小位移合成法,该法直接对机构的各个运动参数误差和各个原始误差的微小位移矢量进行合成,建立机构的运动误差方程。用此法能方便地分析多种原始误差,如长度和角度结构参数(包括理论值为零的结构参数)的误差、运动副间隙和运动副轴线装配歪斜,引起的机构运动误差。与以前各种解析法相比,微小位移合成法无须对机构位移方程或机构约束方程求微分,从而避开了通过位移方程求解误差灵敏度的各种困难,特别当机构复杂和考虑运动副间隙时。本文应用微小位移合成法,建立了一般开链机构(机器人机构)和一般单环(多环)空间连杆机构的运动误差方程。另外就如何灵活选取参考坐标系、计算点和投影轴来简化所要建立的运动误差方程,作了一些讨论。最后,以空间RCCC机构,两环空间RSSR-SC机构和PUMA560工业机器人为例,演示了本文的方法。     

空间可展开天线铰链热变形分析与试验验证

在轨热变形是影响空间可展开天线精度的关键因素之一,因此,空间可展开天线结构的在轨热变形分析具有十分重要的意义。随着空间探测任务要求的不断提高,铰链热变形对空间可展开天线指向精度的影响已经不可忽略。以某空间可展开天线的根部铰链和臂间铰链为研究对象,建立其有限元模型,计算铰链主弯方向和侧弯方向在温度每变化10℃时相对角度的变化。基于高低温箱和电子经纬仪构建铰链精度测试系统,开展铰链热变形试验。试验结果表明：根部铰链和臂间铰链在主弯方向和侧弯方向呈现纯结构热变形特性,仿真结果与试验分析结果基本一致,验证有限元模型和试验分析方法的正确性。根据铰链主弯和侧弯方向角度相对变化,评估热变形对铰链变形的影响。该建模和试验分析方法可为同类型空间可展开天线设计、分析和优化及类似可展开机构精度影响因素的分析提供参考。     

转盘轴承集聚效应分析及其对回转性能的影响

针对航天发射台转盘轴承工作时出现滚动体集聚导致摩擦力矩增大的问题，研究转盘轴承中滚动体之间间隙变化对集聚效应的影响。通过对典型工位处进行有限元分析，对比不同接触类型转盘轴承的滚道变形和滚动体接触作用力的分布规律。在确定滚动体与隔离块的几何关系后，进一步分析了滚道变形和滚动体接触作用力的时变性对滚动体间隙变化的影响，并将间隙变化和集聚效应建立了联系。有限元计算得到的发射台框架变形与实验测量数据一致，验证了有限元计算的可靠性。仿真结果显示，由于下滚道发生轴向变形，滚动体在运动过程中不断交替进行“爬坡”和“下坡”；滚道径向变形导致滚动体之间增大了较多的间隙；各滚动体的驱动摩擦力不断变化，运动状态具有时变性，当转盘轴承中间隙增加时，运动状态不断变化的滚动体导致增加的间隙出现累积，引起滚动体集聚。为消除滚动体集聚效应，探索其对摩擦力矩的影响，进行了对比实验。结果表明:集聚效应导致发射台的摩擦力矩增加，且变化剧烈。      

聚合物基复合材料凸头螺栓连接研究进展

机械连接是聚合物基复合材料最典型的连接方式,因其在连接工艺性和可靠性方面的优势,使其在航空航天制造领域得到了广泛应用。对凸头螺栓连接聚合物基复合材料接头的研究进展进行综述。回顾了复合材料接头的机械连接形式,讨论了在拉伸加载下的失效过程,详细论述了复合材料接头的损伤模式;重点讨论了复合材料接头力学性能影响因素的研究进展,包括复合材料性能（纤维类型、增强体结构形式、纤维与金属混杂层板、铺层角度及比例、固化工艺、初始材料缺陷）、紧固件性能（紧固件刚度、钉头型式、螺栓直径、螺纹密封、间隙配合、干涉配合、紧固件缺失）、连接板性能、侧向约束（拧紧力矩、预紧面积、补偿垫片、接触面摩擦因素）、几何效应（复合材料板尺寸、板厚与孔直径比、层合板宽度与孔直径比、孔端距与孔直径比、螺孔形状、螺孔质量、螺孔位置误差）、载荷（静载荷、动态载荷、疲劳载荷、蠕变、松弛、温湿载荷）等;对聚合物基复合材料凸头螺栓连接的未来研究方向进行了展望。     

Al-Li合金搅拌摩擦焊搭接接头的疲劳性能

通过疲劳寿命试验、疲劳断口和金相组织分析,研究了Al-Li合金搅拌摩擦焊搭接接头的疲劳性能,分析了接头前进侧热机影响区(TMAZ, Thermal-Mechanically Affected Zone)出现的"钩状缺陷"对其疲劳性能的影响.结果表明,钩状缺陷容易引起裂纹萌生及扩展,减小接头的有效承载板厚,适当缩短搅拌针长度可以改善钩状缺陷,提高接头力学性能.母材与搭接接头的疲劳S-N曲线研究表明:在高疲劳应力下,接头的疲劳寿命接近母材,但随着疲劳应力水平降低,接头的疲劳寿命急剧下降,200万循环周次下的疲劳强度仅达到80 MPa,为母材的35%.     

空间全柔性机构位置分析的刚度矩阵法

柔性机构是一种依靠构件元素的弹性变形传输所希望运动的机构.具有集中柔度的全柔性机构是其中的一种类型.由于空间全柔性机构中存在球副,使得目前通用的伪刚体模型法受到限制,为此提出了一种扩展伪刚体模型法.并以6-RSS并联全柔性机构为例对其位置解问题进行了分析:首先利用结构分析中的位移法建立起柔性铰链的刚度模型,同时通过一系列坐标系的建立和转换,建立起机构的变形协调方程、位置闭环方程及静力平衡方程,进而求得机构的位置解.该方法充分考虑了机构中弹性构件的变形,所得结果更接近实际.     

动力涡轮转子结构系统力学特性稳健设计方法

航空涡轴/涡桨发动机动力涡轮转子是典型多支点支承、具有连接界面、质量/刚度分布不均匀的高速柔性转子系统,其连接结构力学特性和支承刚度的分散性可导致转子系统动力特性恶化。针对典型动力涡轮转子结构系统,指出不可恢复滑移、疲劳、摩擦等连接界面接触损伤是连接结构力学特性产生分散性的内在原因,提出了接触状态系数、接触应力、不可恢复变形能和接触摩擦功等工程适用的定量评估参数。通过对多支点柔性转子-支承系统临界转速分布及其对各支点支承刚度敏感度的影响规律分析,提出了基于支承刚度低敏感区择优的动力特性稳健设计方法,所提方法提高了转子结构系统的稳健性。      

计及摩擦时层合板孔内轴销的应力和位移分析

为解决含圆孔层合板在孔内轴销加载下的孔边应力问题，提出一个计及接触摩擦效应的弹性轴销模型，摩擦系数假设为沿接边界按正弦规律变化，在此基础上，采用弹性理论的一般方法，分析了轴销的应力和位移，为有效地解决有载孔层合板孔边应力问题提供了解析基础。     

复合材料混合连接结构拉伸性能与影响因素分析

胶螺混合连接设计适当,能够提高结构的连接效率.针对复合材料胶螺(螺钉)混合连接结构中存在的分析与设计问题,在ABAQUS软件平台上建立了损伤累积三维有限元模型,其中考虑了胶层物理非线性以及非线性接触等问题,连接结构拉伸强度及损伤破坏过程的计算结果与试验结果基本吻合,证明了所建模型的有效性.在此基础上,研究了复合材料层合板端头翻边、胶层厚度、胶层韧性以及接触面摩擦系数等因素的影响.结果表明:复合材料层合板端头翻边对混合连接结构具有增强作用,能够提高结构的拉伸强度;韧性胶层能够提高结构的拉伸强度,但胶层厚度对结构的强度基本没有影响;螺钉杆与连接孔接触面间摩擦系数越大,连接结构的拉伸强度越高.