空间索杆铰接式伸展臂故障树分析

结合空间索杆铰接式伸展臂的应用环境, 在分析空间索杆铰接式伸展臂组成和展开原理的基础上, 建立以伸展臂展开失效为顶事件的故障树, 分别对其进行定性及定量分析, 获得各底事件的失效概率、概率重要度和关键度结果, 确定引起伸展臂展开失效的主要因素. 结果表明驱动力不足、 角点滚轮卡死、精度失效是影响伸展臂正常展开的主要因素, 据此提出了相应的改进措施, 为空间索杆铰接式伸展臂的展开可靠性分析提供了依据.      

盘绕式伸展臂展开模式的力学原理

盘绕式伸展臂是一种空间伸展臂,可用于太阳电池阵、太阳帆、探测臂等空间伸展机构.它有2种展开模式:逐层展开和螺旋展开.以三角形横框铰接盘绕式伸展臂为对象,分析了以逐层展开模式伸展的原理.首先,由于斜拉索不可伸长,导致横杆在伸展臂变形过程中会发生弯曲,并有一个最大弯曲形态.通过在MSC.ADAMS中建立盘绕式伸展臂模型进行仿真计算,可以得到横杆刚度对伸展臂展开过程的影响.以此工作为基础,提出判据:纵杆对第2层横杆的压缩能力和横杆的抗弯能力决定了伸展臂的展开模式,利用相关仿真模型,对这一结论进行了验证.最后,用弹性细杆的Kirchhoff动力学研究了纵杆变形,得到了伸展臂构型参数和展开模式之间的规律.该结果可以作为盘绕式伸展臂设计阶段的参考.     

考虑斜拉索松弛的盘绕式伸展臂振动模型

盘绕式伸展臂展开后,由于预紧力的作用,横杆被压缩至弯曲状态,同时斜拉索张紧.振动幅度较大时,斜拉索会松弛.以建立一种可以描述上述情况下盘绕式伸展臂基频特性的模型为目的,针对弯曲横杆及可松弛斜拉索做了如下处理,用较小的弹性模量及相应的预应变来模拟横杆受压弯曲后刚度较小,并具有预应力的特点;用一根可拉压杆模拟两根交替松弛的斜拉索.按照上述思想将松弛前后的盘绕式伸展臂作为两种结构,分别在Ansys中建立模型,计算得到这两种结构的基频.之后将伸展臂等效为满足分段线性刚度特性的连续梁模型,其分段刚度对应斜拉索松弛前后两种结构.结合有限元模型得到的斜拉索松弛判据,建立振幅较大时盘绕式伸展臂的振动方程.使用等价线性化方法,得到盘绕式伸展臂等效频率随端部振幅的变化关系,并用Ansys的瞬态分析对上述等效频率结果进行了仿真验证.上述模型及结果可以作为盘绕式伸展臂的设计指导及振动控制的理论基础.      

车身薄壁梁结构轻量化设计的理论研究

薄壁梁是车身骨架结构的基本承载单元.为研究车身轻量化对其刚度的影响,首先推导了两端固支梁的静态弯曲和扭转刚度表达式.为获取最佳截面的轻型结构,分别研究了薄壁梁的截面尺寸和壁厚等几何参数对其刚度/质量比的影响.分析了用轻质材料替代传统钢材对其刚度和结构尺寸的影响.对开环与闭环截面梁的刚度/质量比进行了比较.分别找出了能显著影响上述薄壁梁的弯曲和扭转刚度的几何和材料参数.提出了获得高刚度车身典型薄壁梁的轻量化设计原则.     

空间伸展臂的技术现状与难点

空间伸展臂是一类最基本的空间可展开结构,是大型复杂空间结构的基础,对迅速发展的空间活动有着十分重要的研究意义。文章总结并介绍了不同结构形式空间伸展臂的研究与应用情况,根据各方面性能进行了较为全面的对比分析,并从力学、材料、空间环境影响、振动控制几方面深入分析了空间伸展臂设计和应用的技术难点,初步探讨了空间伸展臂的发展方向,从而为空间伸展臂的设计、选型和分析提供必要的支持。     

大型空间折展机构简化模型的热传导分析

基于热传导效应和等效的热学参数,对空间伸展臂结构及所处热环境进行了简化处理。将边界温度条件进行傅里叶级数展开,利用一维热传导模型,分别计算了在边界上施加各阶展开分量作用时,简化伸展臂结构的瞬态温度响应,进而利用叠加原理得到了结构总体的近似热响应。建立了伸展臂热学分析的有限元模型,计算了伸展臂在相应条件下的动态热响应,验证了本文分析结果的合理性,为伸展臂结构的分析设计尤其是概念设计阶段的热性能评估提供了一定的工程参考。      

面向未知环境的空间机械臂自适应阻抗控制研究

针对空间机械臂与环境接触时环境刚度和阻尼会发生突变或渐变情况下的柔顺控制问题,提出了一种阻抗参数可根据环境自适应改变的控制方法.利用最小二乘法,对空间机械臂接触的环境阻尼与刚度进行在线估计.通过分析空间机械臂与环境接触时的系统特性,推导了环境与机械臂看作一体的二阶系统,并由二阶系统的响应特性提出了阻抗参数随环境自调整的自适应方案.最后以平面2自由度机械臂为对象进行了数值仿真,相较于传统阻抗控制方法,所提出的自适应阻抗控制在力控制精确性、减小最大接触力和适应不同接触环境上有一定的优势.     

基于比刚度最大的球铰接杆式支撑臂参数设计

球铰接杆式支撑臂的构型参数设计决定了支撑臂的质量、收拢包络尺寸、刚度和强度等特性。文章提出了一种基于球铰接杆式支撑臂展开后比刚度最大的构型参数设计方法,利用MATLAB和ANSYS联合仿真,分析了不同构型参数组合下支撑臂比刚度的变化规律。结果表明,对于20~100m范围内的球铰接杆式支撑臂,纵梁与横杆的长度比及套筒半径的优选范围随支撑臂总长度增加而增加。当支撑臂总长度分别为20m、60m和100m时,对应的套筒半径优选范围分别为0.3~0.4m、0.5~0.7m和0.6~0.9m。提出了基于比刚度最大的支撑臂参数设计流程。利用提出的设计方法对SRTM任务中球铰接杆式支撑臂进行了构型参数设计,设计结果与ADAM杆构型参数相近,表明设计方法正确、可行。     

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。     

空间大伸展并联机构的设计与性能分析

大型工件加工时执行机构伸展空间不足是目前航天制造业一个亟待解决的问题。为增大执行机构末端的工作空间，并为其提供稳定可靠的伸展基础，提出一类具备高刚度、大伸展特性的并联可伸展机构。重点针对并联可伸展机构展开设计与分析，基于图论进行可伸展机构构型综合，利用构型演化得到PRRR、PRRR-3R和PRRR-6R(P表示移动副，R表示转动副)这3种可伸展支链单元构型，在此基础上，对3种可伸展机构支链单元的伸展性能、刚度进行对比分析，最终优选出满足要求的PRRR支链单元配置成并联可伸展机构。该并联可伸展机构可应用于需要提供大伸展及大刚度的场合，实现对其他执行机构运动空间的拓展。     

球铰接杆式支撑臂构型参数分析

论述了球铰接杆式支撑臂的组成和主要构型参数。利用有限元分析软件建立了球铰接杆式支撑臂有限元模型,进行了模态分析并与试验结果进行了对比,验证了模型的正确性;分析了单元段跨距、套筒半径、横向框架边数和斜拉索预紧力对支撑臂性能的影响。结果表明单元段跨距的增加有利于支撑臂总体性能的提升,而套筒半径和横向框架边数的增加能提高支撑臂刚度但同时增加了系统总质量。斜拉索预紧力应从最小允许预紧力和球铰取得最大刚度值时对应的预紧力中选取较大值。分析结果为支撑臂的工程设计提供了依据。     

大型网状天线展开过程温度及展开时机分析

大型网状天线在轨展开过程复杂,风险大。反射器在展开过程中的温度影响展开动力与碳纤维管件抗弯能力,是反射器展开安全的关键因素。通过测试得到反射器展开动力的传动效率、桁架管件抗弯能力随温度变化规律,即-65℃时管件抗弯能力最好,而传动效率随温度升高而提高。通过建立大型网状天线有限元模型与节点矩阵转换算法,模拟展开臂与反射器的展开过程,对管件与T型铰链在轨温度变化规律进行分析,确定最佳展开时机,降低展开过程中展开动力不足、管件强度过载等风险。分析结果表明：布置在地球静止轨道卫星东舱板的大型网状天线展开时机为6:00~9:00时,管件抗弯能力最强;展开时机为4:00时,T型铰链展开动力传动效率最高。     

模块化空间折展机构研究现状与展望

模块化空间折展机构具有拓展灵活、通用性好、适应性强等特点,可满足长距离深空探测、长期在轨空间站建设和超广域卫星通信等重大航天工程对大型/超大型空间折展机构的需求,是一种新型关键的航天装备。针对应用需求,阐述了模块化空间折展机构领域的研究进展,重点介绍了伸展臂、太阳翼和空间可展开天线等3类折展机构中具有模块化特征的典型构型,分析了模块化空间折展机构的结构组成、展开原理、驱动方式及应用现状,从机构创新设计方法、地面微重力试验及仿真、空间在轨装配技术、空间在轨建造技术等4个方面,展望了模块化空间折展机构未来的发展方向,旨在为大型空间折展机构的研究和应用提供借鉴与参考。     

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.      

空间伸展机构控制——结构一体化设计方法研究

分析了传统时序设计方法用于空间伸展机构设计存在的问题,提出了伸展机构控制设计和结构设计同时进行的一体化设计方法。将结构参数和控制系统参数作为设计变量,根据确定的目标函数,进行系统的整体优化。建立了展开后的空间伸展机构控制－结构一体化设计模型,并分析了一体化设计方法比传统时序设计方法优越的机理。此项研究将为新一代空间飞行器的研制提供理论基础和设计方法。     

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。     

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.      

基于群论的空间可展开结构自由度分析

为了开发构型新颖、生命力强、便于运输和储藏的空间可展开结构，使其满足所处环境的时间、空间等苛刻条件，适应特殊任务的实际需求，亟需开展空间可展开结构的自由度及折展性能分析。由于现有可展结构多具有一定的对称性，基于群论方法，从对称学角度解析结构可动的本质，提出判别对称体系可动性的充分条件。根据几何约束性质，运用矩阵理论和变分原理，推导了可展结构中典型构成单元的位移协调矩阵。利用对称子空间，推导了机构位移模态、自应力模态的对称表示，并以闭合环形可展开结构为研究对象，开展了结构自由度分析。研究工作有助于新型空间可展开结构的研发与设计，为可展结构及其衍生结构的进一步研究与应用提供了理论基础。