一种新型球副机构的设计及分析

提出一种新型球副机构,即1S机构.该机构由两个转动副和一个等效转动副组成,其运动功能等效为球副.1S机构可通过其变种构型增强刚度和增大运动角度.同时,以1S机构为基础,可构建N-S复合球副机构;与其他运动副进行复合,如移动副、额外的转动副等,可构建X-S机构.在复合铰链中,所有的运动副:(a)均具备相对独立的运动,(b...     

弹性自驱动卷筒式伸杆机构展开刚度分析及校验

针对弹性自驱动卷筒式伸杆机构(STACER) 的展开刚度问题，分析了卷筒式伸杆机构的工作原理，基于等效连续体模型推导了卷筒式伸杆机构弹性卷筒的构型参数与刚度的关系式，分析了弹性卷筒末端螺旋角、末端半径、带厚、带宽对展开刚度的影响。分析结果表明：(1)末端半径的增大能同时提高弹性卷筒的一阶频率和比刚度，而带宽的增大将导致弹性卷筒的一阶频率和比刚度均降低;(2)弹性卷筒的一阶频率随带厚的增加近似线性增大，但比刚度随带厚的增大而近似按双曲线规律下;(3)弹性卷筒末端螺旋角在62°~75°时，弹性卷筒的比刚度可获得最优值。卷筒式伸杆机构的刚度测试结果与理论分析结果基本一致，校验了理论分析方法的有效性。     

六自由度激励台的结构动力学等效建模

六自由度激励台是多轴同步振动环境模拟的重要地面设备,因其结构复杂且具有多个运动自由度,而难以构建准确的结构动力学模型。文章针对6-PSU构型激励台的结构动力学特性,提出其参数型建模与模型修正方法。首先确定模型修正的对象为含轴承和导轨等接触运动副的铰链与作动部件,提出采用刚度与质量解耦的方法建立其含参等效动力学有限元模型;然后以该等效模型为基础,通过模态参数修正铰链和作动部件等效梁模型参数,再利用频响函数修正模型中轴承和导轨的接触刚度参数,得到了修正后的激励台等效结构动力学模型。修正后的有限元模型计算结果与试验结果吻合较好,验证了建模方法的有效性。     

三棱柱伸展臂超弹性铰链的力学建模与分析

针对对向多层超弹性铰链展开状态的稳定性问题,分别基于铁木辛柯屈曲理论和欧拉梁屈曲理论建立对向多层超弹性铰链折叠峰值力矩模型。搭建实验平台,分别对12种规格对向单层、双层超弹性铰链进行实验研究,发现理论值与实验值偏差不大于7.73%,偏差均值不大于4.93%,偏差标准差不大于4.97%,验证了基于欧拉梁屈曲理论建模的准确性。对对向多层超弹性铰链进行参数研究,发现半径、中心角、厚度和层数与屈曲力矩正相关,而长度则是负相关的。     

双层环形可展开天线机构构型优选及结构设计

提出可构成双层环形桁架式可展开天线机构的可展开单元需满足的条件,设计出一种轻量化、高刚度曲柄滑块式可展开单元。建立单元特性综合评价指标,对7种可展开单元进行单元特性评价及优选。对优选出的可展单元的结构尺寸进行优化设计,获得了优化设计参数。设计了20m的大口径双层环形桁架式可展开天线机构,研制含弹性铰链的单层环形桁架式可展开天线机构与双层单元机构原理样机,对两种样机的展开功能和重复展开精度进行测试,验证了提出的可展开机构单元及大口径天线机构设计的正确性和可行性。     

具有不确定性连接刚度的太阳电池阵基频分析

以铰链副抗弯刚度具不确定性的太阳电池阵为研究对象,考虑加工和实验误差等随机因素,用数值计算方法仿真电池阵的基频实验,对安装在同一电池阵上的不同组、抗弯刚度满足一定分布规律的铰链副进行多次仿真实验,建立了铰链副抗弯刚度和电池阵基频的仿真样本,用高斯过程回归方法训练出两者间的映射关系,获得了电池阵基频期望值及置信区间关于铰链副抗弯刚度的变化关系。给出了电池阵基频关于铰链副刚度参数不确定性的分析流程。分析结果表明:在铰链副刚度不确定条件下,高斯过程回归方法可确定电池阵基频期望值和协方差表达式中的超参数,与其他回归或插值方法等相比,不仅能预示电池阵基频的期望值,而且可估计其置信区间。在加工和实验误差不可避免的实际情况下,有必要生产多组铰链副进行模态实验并对同一组铰链副适当增加重复实验次数,使其能合理预示电池阵基频的不确定性,减小实验误差的影响,预示合理的基频。     

九宫格超弹太阳池阵列折展性能仿真与优化

弹性铰链是一种自驱动柔性机构。其只依赖折叠时储存的弹性能量，并在展开时自然释放，不需要部署外部能源。弹性铰链具有重复性高、精度高、轻质、能耗低等优点，因而被广泛应用于航天领域。文章针对不同组合形式弹性铰链展开状态的稳定性问题，基于压杆稳定理论，建立对向单层弹性铰链的峰值力矩模型，分析其屈曲失稳情况，进而有效估计出空间折展机构抵抗外界载荷的能力。采用ABAQUS建立弹性铰链的有限元模型，以此来准确描述其折展特性。利用全因子实验设计方法对样本点进行实验规划，进而建立可描述铰链折展特性的数学代理模型，并以簧片间距离及中心角为变量对弹性铰链进行优化设计，得到使弹性铰链机构具有较大弯曲力矩以及较小最大收展应力的最佳结构参数为中心角76°，簧片间距离Se为16.2mm。     

低重力环境下基于超弹性铰链的某折展机构展开动力学研究

针对地外行星、月球探测中杆状天线对轻量化折展机构的需求,提出了一种基于超弹性铰链的两折杆折展机构,天线展开长度可达1.3 m,折展机构重量小于200 g;建立了超弹性铰链的薄壳大变形模型和机构的有限元分析模型,同时引入重力场影响,对不同重力场下机构展开动力学行为、展开时序进行了分析,并对天线末端特征点最大位移进行了预测;利用该折展机构原理样机开展了地球重力条件下的展开试验,使用高速摄影对展开过程进行记录并反演获得特征点位移信息,验证了特征点实际最大位移与分析值的一致性.基于超弹性铰链的两折杆折展机构的设计思路与分析方法,可以为我国后续深空探测更长尺度天线折展机构的设计与分析提供新的思路.     

3-UPS/S并联转台球铰链的优化研究

受球铰链最大转角的影响,并联机构的最大倾角通常在30°左右。3-UPS/S并联转台的大倾角要求,需要有大转角空间的球铰链。本文首先建立了转台球铰链的无量纲模型,运用二维空间搜索的方法得到了最优的球铰链法线和球铰链最大转角。然后研究了转台参数对球铰链最大转角的影响,并选择了合适的转台初始角度。针对转台的大运动空间要求,对转台的参数和球铰链的参数进行了优化设计,最后对球铰链的转角和转台的运动空间进行了验证。为物理样机的设计制造提供了依据。     

基于超梁降阶模型的蒙皮加筋圆柱壳频率分析

在基于梁平截面假设的复杂结构动力模型降阶方法基础上,文章提出了建立梁超单元和超梁降阶模型的方法。通过对比考虑剪切变形的Timoshenko梁单元刚度阵,给出了梁超单元刚度矩阵的修正方法,提高了超梁降阶模型的计算精度。以蒙皮加筋圆柱壳为例,对比了超梁降阶模型与几种等效梁模型的频率分析结果。结果表明,超梁降阶模型建立方法灵活简单,具有较高的计算精度,能够为火箭结构动特性分析提供参考。     

铰接桁架结构动力学问题研究

以铰接桁架结构为对象,采用谱元法研究铰对桁架结构动力学行为的影响,拓展了谱元法的应用领域。在频域下将铰结构考虑为一个谱单元,分别建立铰、杆和梁单元的动力学刚度矩阵,并加以整合得到整体结构的动力学刚度阵,进而建立整体结构的动力学方程。通过求解整体结构的动力学方程,获得结构的固有频率、频响曲线和时间响应历程曲线,并将谱元法的计算结果同有限元法的相应结果进行了比较。分析结果表明,谱元法在求解铰接桁架结构的动力学问题上具有较高的精确性,并且铰的存在对桁架结构动力学行为具有显著影响。     

极端温度下含隙铰柔性帆板展开位置精度分析

以自主研发的月球车重复可展帆板为研究对象,分析月表极端温度对其展开末端位置可靠性的影响.构建极端温度与帆板材料、铰链结构间的关系函数,基于运动弹性动力学,建立极端温度下可展帆板间隙-柔性耦合动力学模型.以帆板展开末端位置误差为评价指标,将BP神经网络算法与一次二阶矩法相结合,利用应力-强度理论建立帆板展开末端位置可靠性...     

含间隙铰链的非线性动力学建模及数值分析

针对空间可展开机构中的含间隙铰链,建立非线性动力学模型,研究其非线性动力学特性。将含间隙铰链实体等效为"T"字型梁模型,针对两侧端部的径向碰撞和侧向碰撞,首次提出了碰撞点的检测算法。针对不同的碰撞类型,建立相应的非线性接触力和摩擦力分析模型,将碰撞点处的作用力等效施加到"T"字型梁模型上。进行"T"字型梁模型在轴向冲击载荷下的动力学特性分析,并与ANSYS软件的分析结果进行比较,验证了含间隙铰链非线性动力学模型的有效性。分析了有多个含间隙铰链的可展开桁架动力学响应特性,研究含间隙铰链对桁架响应的影响机理。结果表明:采用含间隙铰链的动力学模型,可以更加精确地分析可展开桁架结构的非线性动力学响应,为可展开桁架结构的动力学设计提供支撑。     

太阳翼展开过程中锁定冲击载荷研究（英文）

针对一类典型太阳翼,采用NASTRAN和ADAMS软件建立了太阳翼展开锁定通用分析模型;提出了一种改进的铰链建模方法,能够考虑铰链的所有重要刚度系数;最后,研究了有限元模型导入柔性多体模型的模态数、计算步长、铰链刚度和模态阻尼等参数变化对锁定冲击载荷的影响。通过分析可知,计算时需选取足够多的模态数及足够小的计算步长,还要采用较小模态阻尼,以得到冲击载荷的保守设计值。此外,地面试验得到多组刚度测试结果时,应选取最大刚度试验值,以得到保守结果。研究表明,文章采用的太阳翼展开锁定模型能够得到更准确的冲击载荷结果,并易于实施。     

敏捷卫星高刚度太阳翼的设计与验证

基于对国内外敏捷卫星带辅助支撑式太阳翼现状及存在问题的分析,开展了太阳翼的构型设计与布局优化,设计一种基于带簧铰链与自适应锁定式铰链的单臂支撑式高刚度太阳翼。利用支撑臂中部带簧铰链在弯折后形态可变的特性,解决了多连杆闭环机构收拢状态下的杆长匹配问题;利用太阳翼根部自适应锁定式铰链可自动调节锁定状态的特性,解决了展开末了过约束锁定的技术难题,实现了带辅助支撑式太阳翼根部铰链的可靠锁定功能。开展太阳翼展开静力矩裕度分析、模态分析和展开动力学分析,结果表明,太阳翼展开力矩裕度大于1,展开状态下基频大于8 Hz,展开过程顺畅无死点,展开末了冲击力不超过750 N。开展了太阳翼地面试验验证和在轨飞行验证,结果表明,该高刚度太阳翼满足敏捷卫星在轨长时间快速机动的使用要求。     

考虑重力影响的太阳翼模型修正方法研究

太阳翼结构地面模态试验时重力导致的几何非线性不能忽略,因此提出了一种考虑重力影响的柔性结构动力学模型修正方法。首先推导了地面环境下结构的切线刚度矩阵,求解广义特征值,得到重力影响下的模态,对试验和计算得到的模态振型进行匹配,并进行参数的灵敏度分析,选取合适的修正参数并迭代求解参数的修正量。以展开锁定情况下的太阳翼组合结构为研究对象,对比研究发现重力对模态频率有影响,采用分步修正策略,依次对单翼板弹性参数和翼板间连接刚度进行修正,研究结果表明本文方法不仅收敛速度较快,且具有较高的精度。     

星载大型空间天线的一种解耦控制方法

针对星载大型空间可展开天线与卫星平台之间的动力学耦合问题提出一种三自由度驱动与测量机构用于连接天线臂与卫星平台。该机构以驱动电机来控制天线臂转动,通过角度传感器对天线臂转角的测量来实现反馈控制,同时在卫星姿态控制系统中引入前馈控制进行反作用力矩补偿,实现卫星平台与天线之间的解耦控制、抑制天线的振动、提高卫星姿态控制系统的性能。通过姿态稳定状态下卫星-天线系统解耦动力学模型的建立、控制系统的设计、姿态控制的仿真分析,表明解耦机构能大幅增加天线振动的阻尼,有效提高卫星稳定性和天线指向精度。     

捷联惯组空间五点减振的振动耦合分析

针对某型光纤(FOG)捷联惯组(SINS)的轻量化设计要求,采用了空间五点减振的布局方案。基于弹性中心理论计算了空间五点减振系统的弹性中心和偏心量,在捷联惯组存在质心偏移的情况下,增设第五点减振器可以将减振系统的弹性中心和捷联惯组惯性测量系统质心之间的偏心量减少到1.42mm。从刚体动力学出发对振动耦合的解耦条件进行了讨论,指出捷联惯组在惯性主轴偏移的情况下,空间五点减振系统无法实现角振动的解耦,但是通过调整IMU结构布局的质心,或通过调整减振器的刚度比,都可以实现线振动和角振动的解耦。用有限元方法对上述两种解耦方案下捷联惯组的冲击响应进行了计算,仿真结果表明,调节质心和调整减振器刚度两种方法对于降低IMU振动耦合的效果均较为理想,由线冲击引起的角振动降低了约29~100倍。     

含多间隙柔性可展帆板动力学建模及仿真

为研究柔性和多级铰链间隙对帆板展开过程动力学特性的影响，以月球车两级往复可展太阳帆板为研究对象，采用修正Coulomb模型表述摩擦力，通过接触碰撞力描述间隙，运用有限元法进行帆板柔性化，进而建立多间隙-柔性耦合的动力学模型。采用变步长伦哥库塔法进行数值求解，模拟帆板展开过程，分析了多间隙和柔性对帆板质心加速度、铰链间隙碰撞力等参数的影响。结果表明，在保证展开机构刚度要求的前提下，帆板柔性可补偿因铰间隙引起的加速度波动，减弱间隙处碰撞的剧烈程度，减小碰撞力幅值，进而改善帆板展开机构的动态特性。研究结果可用于指导月球车两级往复可展太阳帆板等同类型的可展机构动态优化设计。     

非线性刚度对微机械陀螺动态性能的影响*

为了提高微机械陀螺的稳定性,研究自由振动状态下活动基座上L-L型双质量微机械陀螺的动态性能,建立微机械陀螺的数学模型,得到以幅值-相位为变量的运动微分方程的解,并给出这种解与轨道元素的联系。研究框架质量和弹性件非线性刚度对陀螺漂移量的影响,并给出数值例子。对所得到的解析关系式与曲线进行分析,作出关于系统性能的相应结论。