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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

单层构架式可展结构平面度分析与测试

对某弹性元件驱动的单层构架式可展结构的平面度评价指标进行了定义。根据可展结构基本组成单元中构件的相互几何关系,结合Monte Carlo法及多元线性回归方法,分析了构件的尺寸和加工误差对可展结构平面度的影响,利用非接触测量方法测试了可展结构模型的平面度。参考平面度分析结果,在可展结构模型I的基础上减小接头开孔圆心至侧板边缘尺寸并制作模型II。经测试,模型II的平面度得到改善且满足设计要求,验证了平面度改善方法的可行性。     

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。     

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。     

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。     

Design and analysis of a truss deployable antenna mechanism based on a 3UU-3URU unit

Space deployable structures with large calibers, high accuracy, and large folding ratios are indispensable equipment in the aerospace field. Given that the single-DOF 3RR-3RRR deployable unit cannot be fully folded, this study proposes a 3UU-3URU deployable unit with two kinds of DOF: folding movement and orientation adjustment. First, based on the G-K formula, the DOF of the 3UU-3URU unit is analyzed. Then, the 3UU-3URU unit is used to construct a deployable truss antenna with a curved surface, and the DOF of the whole deployable antenna containing multiple 3UU-3URU units is calculated. The structural design of a deployable antenna with two loops is carried out with specific parameters and geometric relations. Next, a DOF simulation of a basic combination unit composed of three 3UU-3URU units is performed. Finally, a prototype of the basic combination unit is manufactured, and the DOF of the mechanism is experimentally verified.     

Type synthesis of deployable mechanisms for ring truss antenna based on constraint-synthesis method

Space deployable antenna is the key equipment in realizing the communication and data transmission between the spacecraft and the earth. In order to enrich the configurations of deployable antennas, the type synthesis of deployable mechanisms for ring truss antenna is conducted in this study. First, the principle of the constraint-synthesis method based on screw theory is briefly described, the structure of the ring truss deployable antenna and its folding principle are analyzed, and the ring truss mechanism is divided into upper edges, lower edges and linkages. Then, based on the constraint-synthesis method, the type synthesis of the basic unit edges is carried out, a series of basic unit mechanisms are obtained from combining the basic unit edge mechanisms, and five mechanism units with fewer joints and simple structures are selected. Furthermore, simulation models of the five ring truss deployable mechanisms are built in Solidworks and Matlab software, and the deploying process is verified by the movement simulation. Finally, mechanism characteristics of the five mechanisms are analyzed and discussed, and a prototype is manufactured, verifying the analysis in this paper. This research provides a new way for the type synthesis of spatial deployable mechanisms, and the ring truss deployable mechanisms obtained in this study can be well applied in the field of aerospace.     

Design and analysis of truss deployable antenna mechanism based on a novel symmetric hexagonal profile division method

As the deployment, supporting, and stability mechanisms of satellite antennas, space-deployable mechanisms play a key role in the field of aerospace. In order to design truss deployable antenna supporting mechanisms with large folding rate, high accuracy, easy deployment and strong stability, aiming at the geometric division of the parabolic reflector, a novel method based on symmetric hexagonal division and its corresponding modular truss deployable antenna mechanism is proposed, and the original method based on asymmetric triangular division and its corresponding mechanisms are presented for comparative analysis. Then, the screw theory is employed to analyze the mobility of different mechanisms. Furthermore, the improved three-dimensional mesh method is used to divide the reflector surface of a large parabolic antenna designed by the two different methods, and the profile accuracy and the type of links are taken as the evaluation indexes to quantitatively analyze the division results. Finally, a three-dimensional model of the modular deployable mechanism based on the symmetric hexagonal design is developed, and the deployable mechanisms with different configurations based on the two design methods are compared and analyzed from the mechanical perspective. The research results provide a good theoretical reference for the design of deployable truss antenna mechanisms and their application in the aerospace field.     

铰链对含铰结构非线性动力学特性影响分析

针对可展结构中铰链带来的展开后非线性动力学问题,建立了含铰结构的动力学模型。基于铰链侧向和径向的几何约束关系,分析了不同约束条件下的铰链非线性特性。基于谐波平衡法（HBM）,对含铰结构的非线性变量进行一次谐波展开,得到铰链非线性力的谐波展开表达式,将含铰可展结构的非线性动力学方程转化为代数方程。分析了铰链在不同非线性特性下各参数对结构动态特性的影响,得到结构固有频率随铰链间隙、刚度和激振力的变化规律。考虑铰链的非线性特性,通过固有频率脊线求解,得到结构固有频率极值随铰链数量、位置和刚度的变化曲面,并对其进行非线性拟合,得到铰链参数对结构固有频率的影响函数,其计算方法和结果在多维复杂结构中具有一定的扩展性,为可展结构的设计和研究提供参考。利用龙格库塔法对非线性结构进行数值仿真,得到结构的固有频率变化曲线,仿真结果表明了利用HBM进行含铰结构动力学分析的正确性。     

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。