构架式可展开天线自由度与奇异性分析

针对以四面体为基本单元的构架式空间可展开天线,基于螺旋理论分析了多环耦合机构3RR-3RRR基本单元及多单元组网的自由度,降低分析此构架单元过约束与奇异性的复杂性。首先,根据螺旋理论能同时表示运动副轴线的位置和运动副类型的特点,建立了3RR-3RRR单元各铰链的运动螺旋并求解出单元过约束数;其次,运用修正的Kutzbach-Grübler公式求解出此单元的自由度,并分析出在特殊位形下的奇异性和瞬时性;最后,多单元组网成一个复杂耦合机构,采用等效构型的方法简化组网结构可得此天线反射器收展所需自由度,再通过计算各花盘的相对间距来验证构架可展开天线的收展协调性。研究表明构架式天线反射器3RR-3RRR四面体单元为单自由度机构且含有4个过约束,便于机构的展开控制,在同步杆铰链处于特殊位形下有约束奇异。组网后反射器桁架系统是单自由度机构,机构在单驱动运动过程中可展开完全,实现构架可展开天线各杆件在工作时运动协调,在空间机构领域具有良好的应用性。     

构架式可展开天线反射器模块化构型设计优化

针对构架式可展开天线反射器模块化构型要求, 基于螺旋理论分析了模块及多模块组网的自由度,采用模块组合思想降低了构架式可展开天线反射器结构设计复杂性。首先,在由四面体单元组成的构架式天线反射器结构基础上,利用3个相同构型的3RR 3RRR四面体单元构建平面模块,再采用模块间花盘与花盘连接方式组网形成构架天线反射器;其次,基于构架式天线反射器的可收展的期望运动,运用螺旋理论验证模块化构架式天线的可展性;最后,针对花盘姿态变化型综合,优化模块间连接运动副,使构架式可展开天线反射器收拢后达到最大收纳比。研究表明模块化构架式可展开天线反射器具有可展性,当模块间采用万向副连接时,组装的二圈模块化天线反射器为8自由度机构且能完全收拢。模块组网后的构架天线反射器具有收纳比高、自由度少的优点,在较少驱动下可使天线展开完全和展开可控,在航天机构领域具有良好的应用性。     

四面体可展单元机构组网分析

面向航空航天领域,将3RR-3RRR四面体基本可展单元机构作为曲面可展开天线的支撑机构,对四面体单元机构的组网方法进行研究。根据三角形等效逼近任意曲面的组网原理,提出连续式组网形式和间隔式组网形式,并进行对比分析。采用间隔式组网形式进行曲面可展机构的设计,分析间隔式最小组合单元组网机构的运动过程。建立了最小组合单元机构的ADAMS仿真模型,并进行仿真验证分析。仿真结果验证了基于四面体可展单元的间隔式组网方法的正确性,根据该组网方法可以拓展形成任意尺寸的大型曲面可展天线支撑机构。     

基于Bennett机构的柱面拟合可展机构设计及分析

可展机构既可展开至指定构型用于工作,也可收拢以便于运输,在航天和建筑等领域具有广阔的应用前景。本文提出并设计了一种以Bennett过约束机构为基本组成单元的可展机构,该机构的工作形面可拟合柱面,且具有全部杆件可紧凑折叠成一束的收拢构型。对Bennett机构进行了几何描述,并分析其运动学特性;利用剪式机构实现了单元机构的组合连接,保证了设计关键点准确位于目标参数曲面上,计算了所设计的可展机构的展收比;对机构的运动学及动力学性能进行了仿真分析,验证了所提出的设计,为后续的样机研制提供了理论依据。验证结果表明:本文提出的Bennett过约束机构单元组合简单、形面拟合精度高、刚度大,能够很好地应用于该圆柱面天线的设计。该研究对航天可展机构的设计分析具有参考价值。     

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。     

六棱柱单元可展天线结构设计

提出了一个利用伸缩杆驱动的六棱柱展开单元,该单元可动机构数较少,展开可靠度高,结构刚度好,具有广泛的应用前景.利用伸缩杆六棱柱单元,文中设计了一大型构架式切割抛物面天线,并简要介绍了天线的可展节点细部设计.该天线的形面精度较高,质量轻,造价低.     

厚板三浦折展机构的几何设计与运动分析

空间折展机构与一般运动机构不同,其对构件的几何形貌有着严格的要求。基于厚板折纸理论构造出两种三浦厚板折展单元——Bennett机构单元和球面四杆机构单元,在保证机构可以从展开状态运动到收拢状态且不发生物理干涉的前提下,以折展单元可无限次叠加组网为设计目标,分析构件几何参数应满足的约束条件,阐述模块化组成大尺度厚板三浦折展机构的原理和过程,提出Bennett组网和混合组网两种模块扩展方式。通过建立Bennett扩展模块和球面扩展模块的运动学模型,验证两种厚板三浦折展机构的运动等价关系。研究不同几何参数对机构折展率的影响规律,提出一种根据给定折展率要求对机构进行优化设计的方法,为厚板三浦折展机构的运动特性分析和几何参数优化奠定了理论基础。     

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。     

构架式可展开抛物柱面网状天线结构设计

针对具有大尺度抛物柱状反射面需求的空间可展开天线,提出一种基于四棱柱折展模块的构架式可展开抛物柱面网状天线,依靠模块驱动组件实现天线联动展开。把抛物面天线工作表面的拟合方法拓展到抛物柱面天线,采用工作面拟合圆均等网格划分径向投影获取天线支撑桁架设计的关键节点。柔性网状反射面采用双层索网结构形式,提出与前索具有较好对称性的背索网悬链线设计,前、后索网节点由支撑立柱间拟合圆弧均等分径向分别投影到抛物线段和悬链线圆弧上获取,根据前后索网节点建立索网拓扑构型,基于非线性有限元法对索网预张力进行设计迭代,获得抛物线维索网预张力与其均值的最大误差率为12.3%及柱面维索网预张力与其均值的最大误差率为7.6%的优化结果。研制了机械口径12 m×12 m样机,多次展开获得2 mm RMS以内的形面精度,验证了构架式可展开抛物柱面网状天线较优的展开性能和形面精度保持性能。     

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。     

构架式可展天线电性能研究

提出了一种构架单元式的展开桁架天线. 对构架式可展天线的电性能进行了研究, 以确定较优的设计参数和结构方案. 针对可展 反射面形态的具体特点, 基于几何光学原理, 推导了可展天线远场的电场强度公式, 将口径面划分成矩形网格, 用数值方法对远场场强进行积分, 得到天线反射面 的方向图. 进而编制相应程序, 用于分析不同设计参数的构架式天线反射面的电性能. 该方法直接将结构变形与天线电性能相联系, 避免了通过均方根换算带来的额外 误差, 使得设计更准确. 此方法同样适用于标准抛物面或者任何已知缺陷反射面的辐射场计算.     

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.      

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。     

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.     

含铰链间隙板式卫星天线展开精度分析

板式卫星天线展开机构在航天领域有着广泛的应用,其空间尺寸大,拓扑结构复杂,构件之间多用铰链联结,卫星天线对指向精度要求较高,应考虑铰链间隙对指向精度的影响。含铰链间隙的卫星天线展开机构的指向精度分析建模复杂、求解困难,为此提出了矩阵法分块建模的分析方法,将复杂的整机模型分解成锁定机构计算模型与2个单闭环机构计算模型,分别分析计算铰链间隙对其精度造成的影响,建立整机的计算模型并采用粒子群优化算法进行求解,得到某特定构型的板式卫星天线在极恶劣工况下展开的指向误差为0.067°。研究表明,建立的计算模型精度高,通过智能优化算法求解可以快速得到卫星可展开机构的指向精度极恶劣值,为展开机构的误差补偿设计提供参考。