刚柔耦合状态下索杆式伸展臂多体动力学研究

索杆式伸展臂在展开过程中,其斜拉索存在大运动和大变形问题,运用传统分析方法进行仿真分析难度较大.文章基于非线性弹性理论的绝对节点坐标方法,描述了斜拉索的空间运动和变形,研究了横向框架在贮存段、消旋段、提升段和套筒外的动力学特性,实现了索-刚体组成耦合系统的多体动力学数值仿真.     

正八面体单元空间伸展臂研究

空间伸展臂是广泛应用的航天结构。本文分析了正八面体单元伸展臂的构成原理；推导出展开过程的运动轨迹和滑动－转动单元的两种９×９刚度矩阵；建立了在预应力和外载下的受力分析模型。文中介绍并分析了一个高４４００ｍｍ伸展臂方案     

空间索杆铰接式伸展臂设计与试验研究

给出了空间索杆铰接式伸展臂的工作原理以及驱动原理,研制了一套空间索杆铰接式伸展臂及其套筒式驱动机构,该驱动机构能够实现顺畅的展开和收拢伸展臂功能。设计制作了重力平衡装置,并且对伸展臂展开和收拢进行了零重力地面模拟试验。对伸展臂展开、收拢过程中临界刚化时刻进行了力学分析和计算。通过试验测试了伸展臂在展开、收拢过程中驱动机构电机输出力矩的变化情况,并与理论分析进行了对比,验证了理论分析的正确性。通过试验分析了重力、展开速度以及伸展臂前端负载质量及惯性扰动对驱动机构动力特性的影响。通过试验测量了伸展臂的重复展开精度,验证了空间索杆铰接式伸展臂具有较高的重复展开精度和定位精度。
关键词:     

空间豆荚杆机构收展过程的并行仿真计算

针对空间豆荚杆展开机构的设计,利用显式动态算法和高性能计算资源,对豆荚杆盘卷收拢和展开过程进行了非线性准静态仿真。为满足计算调试和多组工况带来的大规模计算需求,通过计算耗时、应力曲线和能量曲线的对比分析,确立了以提高加载速率为主的显式计算并行加速合理策略。计算过程和结果分析表明,动态仿真方法完全可以用来对豆荚杆机构的功能设计、结构改型和参数调整进行预知仿真,并为试验提供指导和参考。     

星载柔性可卷天线固有频率提升方法研究

柔性可卷天线是以卷曲方式收拢的新型可展天线,由于空间环境的复杂性,天线的动力学特性将直接影响其形状保持与形面精度,进而影响卫星的通信。针对天线展开后刚度不足的问题,采用有限元方法分析了天线的前两阶模态,对应的振型是阵面与伸展臂的耦合振动。为提升前两阶模态频率,从天线各组成部分的几何尺寸、材料等方面改变天线结构,发现天线整体的固有频率与伸展臂的刚度近似成线性关系,随柔性阵面的质量增大而降低。为此,结构加强的重点应放在伸展臂上,并优先选择轻质的阵面。此外,为避免悬臂式结构布局,提出了两种拉索设计方案,比较了拉索预紧力、拉索刚度对固有频率的影响,采用刚度足够大的拉索可使天线的固有频率提升至2Hz以上。     

环柱式天线展开过程耦合动力学分析

针对环柱式天线展开过程中斜拉绳索释放运动与桁架展开运动之间耦合动力学分析困难的问题,采用非线性欧拉梁单元对斜拉绳索建模,基于几何精确梁理论对环形桁架建模,提出了环柱式天线多体系统模型,实现了结构展开过程中绳索释放与桁架展开耦合动力学的精准仿真,揭示了绳索柔性等因素对桁架伸展起阻碍作用的机理。仿真结果表明,在环柱式天线展开过程中,减小绳索模量,降低绳索直径,采用单绳索分布设计,有利于提高桁架的展开稳定性。另外,绳索柔性对桁架展开中间阶段影响最为显著。该分析结果为环柱式天线在轨展开动力学预示和优化设计提供了指导作用。     

透镜式薄壁CFRP管空间伸展臂轴压屈曲分析及试验

对透镜式截面四层铺设薄壁碳纤维增强塑料(CFRP)管空间伸展臂进行轴压载荷试验,得到轴压临界屈曲载荷及屈曲特性。利用有限元模型进行线性特征值屈曲分析,并引入屈曲模态形式作为初始几何缺陷进行非线性屈曲分析,得到轴压下屈曲临界载荷及非线性屈曲特性,并与试验结果进行对比分析。结果表明初始几何缺陷对CFRP管轴压临界载荷影响较大,给CFRP管加入适当的几何缺陷可更有效模拟实际非完善体的屈曲载荷。进而对其材料厚度、层数和铺设角度进行参数分析,得到各参数对轴压临界载荷的影响程度及敏感性,本文对透镜式薄壁CFRP管空间伸展臂的设计和深入研究具有重要参考价值。     

机械臂转位舱段过程的多学科集成仿真

基于高层体系结构(HLA)及Modelica建模语言构建的系统集成仿真平台,通过构建和集成与机械臂转位舱段过程相关的舱体动力学、机械臂、轨道、姿态控制、总体电路等功能模型,建立了机械臂转位舱段集成仿真模型,开展了机械臂转位舱段过程多学科集成仿真,建立并验证了基于功能模型的多学科集成仿真工作流程,提出并实践了基于功能模型的总体-分系统多学科集成仿真工作模式。仿真结果表明:文章提出的工作流程和工作模式合理有效,集成仿真方案可行,研究成果可以为航天器研制数字化提供参考。     

空间伸展机构接触碰撞的动力学分析

本文以子结构离散的柔性多体系统动力学为基础，引入与碰撞有关的约束条件导出了描述碰撞过程的柔性多体系统的动力学方程。通过仿真计算可得到空间伸展机构撞击阶段的时间，构件在碰撞阶段的动力学响应；并从与约束方程相关的Ｌａｇｒａｎｇｅ乘子获得撞击力的变化规律。从而可较全面地描述空间伸展机构整个接触碰撞动力学过程。本文以伸展机构的两个构件碰撞过程的仿真为例详细介绍各种建模方法与计算方法。     

空间包络式抓捕机构非接触/接触一体化导纳控制

研究了一种具有闭环约束的空间包络式抓捕机构运动建模和非接触与接触一体化导纳控制。该抓捕机构具有可控的包络结构,能够通过与非合作目标发生多点多次接触,实现柔顺捕获。给出了空间包络式抓捕机构显式的动力学模型和接触模型。设计了具有统一形式的非接触与接触导纳控制策略。该策略在机器人接近目标过程中采用非接触式导纳控制,以降低机械臂与目标物体首次碰撞的接触力,在捕获目标过程中采用接触式导纳控制,减少碰撞次数,获得更大的夹持接触力。数值仿真展示了控制策略的有效性。     

Analysis of dynamic behaviour of inflatable booms in zigzag and modified zigzag folding patterns

The deployment behaviour of inflatable booms with zigzag and modified zigzag folding patterns is experimentally and theoretically investigated in this paper with the aim to deploy the booms as the actuator for future deployable large-scale membrane structures. Regarding the experimental approach, the stable deployment of a modified zigzag folding pattern is demonstrated, and the relation between stable and unstable deployment behaviour is considered in relation to air pressure and flow rate. In terms of the theoretical approach, the folding process and deployment behaviour are simulated using commercially available software (PAM-CRACH and PAM-SAFE). To create folding lines from the zero stress condition in the case of analytical inflatable boom models, the stress distribution and the shapes of the folding lines are considered for the initial self-deployment behaviour and deployment behaviour using the uniform pressure method. From the folding experiments and the results of folding analyses and UPM, the deployment behaviour of inflatable boom models in zigzag and modified zigzag folding patterns is compared by using the finite point-set method. For the sequential deployment behaviour, which is difficult to replicate, the uniform pressure method is used for the calculations, and the relation between inlet air flow and stable deployment behaviour is discussed through comparison of the experimental and analytical results.     

考虑压电耦合的空间充气展开结构频响特性分析

着眼于利用柔性压电元件获取空间充气展开结构的动力学特性，文章基于通用有限元软件ABAQUS，建立考虑压电耦合的空间充气展开结构频率响应分析方法，依次进行非线性充气预应力分析、模态分析和频率响应特性分析。以空间充气杆为例，分别利用有限元仿真和地面实验的方法得到其频响曲线，两者共振峰频率偏差小于2.3%，验证了充气展开结构有限元仿真方法的有效性。研究结果可为进一步分析空间充气展开结构的动力学特性和实施结构优化设计提供参考。     

带射频电缆的可展开天线阵在轨展开动力学

空间存在射频电缆穿越可展开部件工作区域的情形,这会对部件的展开特性造成较大的影响(特别是无源可展开机构),甚至会影响整个航天器任务。文章以某卫星带有半刚性射频电缆的无源可展开天线阵为例,提出了其动力学建模仿真流程,并建立在轨展开动力学模型;采用该模型开展了在轨展开动力学特性的仿真研究,同时与在轨实测数据进行了比对。结果表明,仿真数据与在轨实测数据基本一致,准确地评估了射频电缆对可展开天线阵在轨展开特性的影响,仿真评估方法有效。该建模仿真流程同样适用于卫星其他类型可展开部件的展开特性研究。     

Ultralight deployable booms for solar sails and other large gossamer structures in space

Future solar sail spacecraft which do not need any rocket motors and propellants are a promising option for long-term exploration missions in the solar system. However, they will require ultralight reflective foils and deployable booms which will allow for the unfolding of huge sails. The achievement of an acceptable ratio of reflective sail area and structural mass, which results in a still small, but significant acceleration under the photon pressure of sunlight, is extremely challenging. The same challenging deployment technique is required for the unfolding of large reflector membranes or antennas (gossamer structures). The key elements are the booms which must be stowable in a very small envelope before they reach their destination in space. Such booms were developed by DLR and have been successfully tested under zero-g-conditions during a parabolic flight campaign in February 2009. It could be convincingly demonstrated that the unfolding process is both controllable and reproducible. The booms consisted of two co-bonded omega-shaped carbonfiber half shells with 0.1 mm wall thickness each and had a weight of only 62 g per meter. Two different deployment technologies were tested, one based upon an inflatable 12 μm thick polymer hose inside the boom, the other one using an electromechanical uncoiling device at the tip of each boom. In the latter case, the uncoiling devices will radially fly away from the spacecraft, such that they become “expendable deployment mechanisms” and their mass does not count any more for the spacecraft mass that needs to be accelerated or actively controlled.     

某空间伸杆机构的摩擦补偿及反步自适应控制

面向某新型大伸展(收拢比)、高载荷(自重比)伸缩式空间伸杆机构的实际应用需求,研究其低速伸展过程中摩擦力矩补偿及其反步自适应控制方法。考虑伸杆伸长量等各种因素引起的摩擦力矩变化,将其等效描述为摩擦变化系数的影响,由此得到LuGre改进模型的摩擦表征。在此基础上,设计基于摩擦力矩补偿的反步自适应控制器,以补偿和抑制模型不确定性和摩擦影响。最后通过仿真校验表明,该方法不依赖精确的动力学模型,能够在保证鲁棒性的前提下有效提高系统控制性能。     

空间可展开结构拓扑综合方法研究

空间可展开结构的构型用邻接矩阵表示,采用拓扑变换的方法来研究空间可展开结构 的拓扑综合。通过构件的增加、减少以及连接关系变化的变胞综合方法实现不同构型之间的 变换运算。以周边桁架可展开天线结构为例,通过构型变换,得到了不同于目前同步展开／ 收拢方式的混合展开收拢方式,以及新的可展开结构的构型。通过所得类型的运动仿真,表 明了混合展开方式以及新的可展开结构类型的可行性,验证了空间可展开结构拓扑综合的变 胞综合方法。     

Sensitivity studies of the deployment of a square inflatable solar sail with vanes

This paper summarizes the results of numerical experiments to determine the sensitivity of the final attitude of an inflatable solar sail with vanes after deployment to various parameters affecting the deployment process. These parameters are: in- and out-of-plane asymmetries during deployment, length inflation profile, and vane deployment failures. We show how robust the sail deployment is to geometric asymmetries before a 35° off-Sun angle is reached. Differential delays in the time to inflate the booms and a boom sweep-back angle affect the stability favorably. Adjacent vane failures to deploy affect the stability unfavorably, while the failure of opposing vanes is acceptable. Realistic boom length rate profiles obtained during ground tests are used in the simulation showing that failing adjacent vanes in conjunction with initial inflation delays in adjacent booms represent the worst case. We also demonstrate that by feeding back attitude and attitude rate measurements so that a corrective action is taken during the deployment, the final attitude can be maintained very close to the initial attitude, thus mitigating the attitude changes incurred during deployment.     

空间光学精密展开机构展开方法的初步探讨

文章对空间光学精密展开机构(以下简称展开机构)进行分类,分析了几种典型可展开空间光学系统的展开方法和特点。讨论了展开机构设计需要考虑的主要因素,并给出设计建议。     

复合材料人形杆压扁过程数值模拟分析

为了避免超弹性杆因应力集中而产生疲劳裂纹,延长其使用寿命,借助于ABAQUS软件,采用S4R壳单元和粘结单元,建立了人形杆复合材料压扁有限元模型。利用显示动力学法对人形杆压扁过程进行了非线性数值模拟分析,分析单一材料、两种材料铺层方式和不同铺层角度时人形杆各层应力特点,进而选取出应力最小的铺层方法。该研究对可展开机构中人形截面超弹性杆复合材料最佳铺层方式的合理选取具有重要意义。