充气薄膜桁架的协同折叠设计及展开过程仿真

充气薄膜桁架结构可应用于大型空间充气薄膜航天器的展开部件和支撑结构。研究了充气薄膜桁架结构的协同折叠设计方案,首先推导了蒙皮结构的折叠状态几何公式,然后设计充气桁架的折叠方案,以几何适应于蒙皮结构折叠状态。建立了协同折叠设计方法,并得到了参数化模型。方案实现了横向和纵向同时折叠,横向折叠率为267,纵向折叠率为882。基于改进的弹簧 质点系统,完成了充气薄膜桁架结构的充气展开动力学仿真,得到了展开动力学行为和参数。仿真结果表明展开过程平稳可靠,未发生各构件间的物理干涉,从而评估了协同折叠设计方案的合理性,为此类结构的工程应用提供了技术支撑。     

柔性多层冲击空间碎片防护结构设计与试验

充气展开密封结构是未来空间站以及大型空间居住舱的理想构建形式,其外蒙皮由气密层、增强层、微流星体和空间碎片防护层、辐射保护层以及热控层组成。为了既满足对空间碎片的防护,又满足折叠、收纳以及展开的要求,空间碎片防护层需要采用多层冲击防护结构设计。基于多层冲击防护结构,采用国产的玄武岩纤维材料和芳纶织物的特性参数,根据弹道极限方程设定了柔性空间碎片防护层的设计参数,并通过高速撞击试验对根据设计参数生产的试验件进行了试验验证,试验结果与柔性多层冲击防护结构的弹道极限方程吻合较好。     

模块化空间可展开天线支撑桁架结构的热-结构分析

对模块化空间可展开天线支撑桁架结构进行空间热交变环境下的热 结构分析,为天线结构因热致变形影响形面精度和网面稳定性提供合理的防护建议。采用ANSYS APDL有限元软件建立了大口径模块化空间可展开天线支撑结构的精细化数值模型,基于已有试验分别验证了模块化可展开天线结构有限元建模和热分析模型的正确性;分析了在瞬态温度场作用下约束位置等参数对支撑桁架弦杆及拉索应力的影响和热致变形规律。研究结果表明：空间可展开天线结构的应力和变形随时间历程发展与瞬态温度场变化趋势基本一致;同一瞬态温度场下,天线结构中心模块拉索热应力最大,同圈模块的弦杆热应力幅值基本相同,其上弦杆热应力逐圈增大,而拉索热应力逐圈减小;天线结构热致变形在距离约束最远端处整体累计值最大,上层中心点处累计热致变形可达15mm左右,对天线形面精度的影响不可忽略;将天线支撑桁架结构最外侧且距离结构中心最近的模块顶角和与相邻模块竖杆拼接处作为星载天线伸展臂约束时,天线结构的热致变形最小。将该处作为模块化空间可展开天线的展开支点,并建议对天线支撑结构表面采用涂刷隔热防护复合材料涂层等防护措施,以增加天线结构在太空极端环境的适应性,从而减小温度交变对天线整体形变和网面精度的影响。     

可持续性月球水资源提取利用设计与分析

月球极区水冰资源开发利用是月球基地建设和可持续性运行的重要支撑技术之一。在对月球南极永久阴影区的工作地点进行选址的基础上，调研了国内外月球极区水冰资源开发利用计划、实施方案和发展趋势。提出了一种可持续性月球极区含冰月壤水资源提取利用方案，由移动式基地载具、原位钻取机器人和可移动式反射镜组三部分组成，具有灵活布置以持续性开采阴影坑内水冰资源的能力。对所设计方案的物质流和能量流进行了计算建模，并进行了程序化分析。计算结果表明，通过提升太阳能传递效率、光电转换效率、热提取加热效率和水电解效率，初始水冰质量含量高于5.0%,可以显著减少系统任务的总能耗。方案设计与分析结果可为中国月球基地任务提供参考。     

空间飞行器碎片防护结构的简化设计

给出一种基于实验和理论分析的航天器碎片防护结构简化设计方法 ,该方法可用于进行大型空间飞行器碎片防护结构的方案选择和初步结构设计。利用空间碎片的工程环境模型和防护结构几何经验公式 ,采用“设计碎片”的概念 ,对防护结构进行几何结构设计和质量估算 ,并采用改进的防护性能验证算法进行空间碎片的风险评估。通过对惠式防护结构的计算 ,得到的计算结果基本符合实际要求。     

展开式薄膜遮光罩设计及重复展开精度研究

针对星敏感器的杂光抑制需求，设计了一种可以实现轴向展开的圆柱状展开式薄膜遮光罩，包括充气支撑管、薄膜蒙皮和挡光环，并完成了各构件的结构和材料设计。建立了薄膜蒙皮的运动学模型，分析了构型随着二面角的变化情况，验证了薄膜蒙皮采用hexagonal折纸样式可以完全折叠和展开。通过试验研究了遮光罩的重复展开精度，包括轴向和径向展开精度等。研制了遮光罩原理样机，并开展了地面展开试验，表明在充气支撑管的驱动下能够顺利展开，为大尺寸遮光罩的工程应用提供了新的技术方案。     

环形桁架式天线展开不同步现象分析

从国外相关文献所反映的地面试验结果看,环形桁架式天线周边的桁架结构由于阻尼等因素在展开过程中存在明显的不同步现象。文章利用绝对节点坐标法建立了天线展开过程的多柔体展开动力学模型,获得了连续展开过程中桁架各部分承受的载荷和变形情况,并重点对展开过程中的不同步现象的产生原因及其影响进行了分析。结果表明,环形桁架式天线展开的不同步现象是由展开过程中桁架的变形与摩擦引起的,这种现象的出现导致桁架结构承受更高的载荷。该研究为环形桁架式天线的设计和验证提供了参考。     

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。     

大型碳纤维桁架结构模态试验及特性

基于随机子空间识别方法,采用自然脉动试验研究了大尺度、轻质高强承力型碳纤维复合材料桁架结构的模态特性.基于该桁架结构本身的特点,提出了3个基本假设,结合实际应用中桁架结构的约束条件,设计了大型碳纤维复合材料桁架的模态试验方案,并对试验结果进行了详细分析,总结了其频率特性、阻尼特性及振型特点.结合锤击法试验和有限元方法,对试验结果进行对比分析,结果表明3个基本假设合理,试验方案有效,试验分析结果可靠.研究结果可应用于浮空器结构设计和健康监测.      

引脚式表面贴装元件的数值热分析

建立了四边引线塑料扁平封装(PQFP, Plastic Quad Flat Package)数值热模拟的详细模型和简化模型,实验验证了这两种模型的模拟精度.对PQFP在机载恶劣环境下的稳态热性能进行了研究,分析了影响元件内、外热阻的各种因素.结果表明,内部采用多层结构设计是改善PQFP元件热性能的最佳方案,而在采用强迫空气冷却时,空气速度不应大于5m/s.对承受脉冲形式热载荷和环境温度随时间变化两种情况下的PQFP元件进行了瞬态热特性研究,获得了芯片结点温度随时间变化的曲线,可用于研究元件因过热引起的热应变、热损坏和电信号失真,为改进和优化元件热设计提供科学依据.      

剪叉伸缩竖杆式环形桁架机构设计与性能分析

空间可展开天线的展开平稳性是天线顺利展开的关键。天线的收展比是运载火箭空间配置的重要参考因素。为减小天线展开过程中的振动冲击,提高展开平稳性,降低空间可展天线收展比,梳理了可展开天线桁架机构的常见构型,提出一种剪叉伸缩竖杆式环形桁架机构,并详细介绍了该机构的基本单元及展开方式。对该机构的收展比进行具体分析,结果表明在相同口径和展开高度的情况下该机构的高径比比Astromesh天线桁架机构减小了35%左右。对该机构进行运动学和动力学建模,分析了机构展开平稳性,结果表明在相同大小驱动力作用下该机构的各节点加速度均方根是Astromesh天线桁架机构的30%左右,具有更好的展开平稳性。试制了缩比模型并进行了展开实验及相关参数测试,验证了机构设计的合理性及计算结果的准确性。     

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.      

可展桁架天线温度场和热变形分析

对一个可展桁架式抛物面天线,利用有限元法,将可展支撑桁架划分为一维辐射-导热杆单元,将反射面划分为二维辐射-导热三角形膜单元,以此模型,计算和分析可展桁架天线在空间环境中的温度场和热变形,得到了可展桁架天线温度场和热变形特点,以及可展支撑桁架对天线整体温度场和热变形的影响．     

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.      

基于代理模型的QPSO算法及结构优化应用

针对复杂结构的工程优化通常涉及到高度非线性的问题,采用基于迭代的传统优化算法可能无法获得全局最优解。在此研究背景下,文章引入量子粒子群优化算法(Quantum Particle Swarm Optimization, QPSO),提出了基于克里金（Kriging）代理模型的QPSO算法,通过构建环形桁架可展天线动力学性能的代理模型,对环形桁架可展天线结构参数进行了优化设计的应用研究。研究结果表明,基于Kriging代理模型的QPSO算法计算效率较高,环形桁架可展天线的基频及最大冲击响应面非线性特征显著,并通过将计算所得到的最优解与有限元解进行对比,验证了此方法的计算精度。由此可见,此方法的研究可为复杂结构的优化设计、研制提供一定的参考。     

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。     

一种新型可展组合单元的自由度与运动学分析

提出了一种新型多自由度可展机构9RR-12URU,可作为大口径构架式可展天线支撑机构的最小组合单元。该机构包含3个3RR-3URU四面体可展单元,基于螺旋理论分析了单个四面体可展单元的自由度,进而采用拆分杆组法得到了9RR-12URU组合单元机构的自由度。基于节点的空间几何位置和坐标变换矩阵推导了可展组合单元机构在收拢/展开过程中各节点位置和速度的解析表达式,并采用RPY角描述了各节点相对于定节点的姿态变化。基于Adams软件对9RR-12URU组合单元机构的自由度和运动学理论分析进行了仿真验证,结果表明该机构具有收拢和调姿两种自由度,使机构达到最大折叠比。该新型多自由度可展组合单元机构结构简单、折叠比大,可用于曲面构架式可展开反射器中。