辐射肋式空间可展开天线机构设计与分析

可展开天线机构是网面可展开天线的关键组成部分,对天线展开后结构的稳定性和刚度具有重要影响。针对空间可展开天线大型化、高收纳率、高精度化发展趋势,设计了一种辐射肋式空间可展开天线机构新构型。首先,开展了天线整体结构设计,根据结构组成进行尺寸计算并建立了结构的三维模型;然后,采用数值仿真软件开展了机构运动学仿真研究,并分析了运动的变化规律;最后,建立了有限元模型,开展了结构模态分析。研究结果表明,所提出的机构能够实现由收拢至展开的运动变化,展开过程中机构具有良好的同步性,构件间无干涉,验证了结构方案及原理的正确性和可行性。研究结果对于空间可展开天线基础理论及工程应用等具有较高的参考价值。

空间折展结构热响应研究现状与展望

中国航天正面向世界科技前沿和国家重大战略需求飞速前进,航天事业已成为我国整体发展战略的重要组成部分。近年来,随着航天核心技术的逐渐提升和突破,高精度、大尺度和轻量化的新型空间折展结构逐渐得到广泛应用,然而,其柔性大、刚度小,尤其是受空间极端环境显著影响等问题也备受关注。例如,空间折展结构中的典型应用——空间可展开天线,该新型结构作为航天和国防领域传递与获取信息的核心装备,在轨服役期间受空间热交变环境影响,其形面精度和网面稳定性问题凸显,甚至干扰航天器及其附件在轨工作姿态,从而导致航天器失效。为满足应用需求,文中归纳总结了伸展臂、太阳翼及可展开天线等空间折展结构的热致变形和热致振动等热响应研究进展。基于研究现状,从热-结构耦合情况、非线性因素、新型结构组合、结构连接及热控措施优化等方面展望空间折展结构热响应研究发展趋势,为我国空间折展结构的优化设计和防护方案提供理论依据及应用参考。

构架式可展开天线工作表面母线拟合方法

针对由六棱柱单元组成的构架式可展开天线工作表面与球面背部支撑桁架形状差异的问题,基于微分几何和最小二乘法,提出了一种构架式可展开天线工作表面母线的拟合方法.通过对构架式天线的类型、组成模块的结构以及球面背架与工作表面关系的分析,将工作表面由空间状态转换成平面状态,用矩形将其包络,给出了母抛物面母线方程的求解步骤.根据偏距,得到了工作表面母线的端点坐标,将待拟合曲线离散化,应用最小二乘法分析推导了拟合圆弧的计算公式.通过算例对口径相同的3种组合的天线进行了拟合,比较了3种组合的优劣,结果表明各条曲线的最大的拟合误差均小于各自的许用误差,不需要进行修正,该方法对构架式可展开天线工作表面母线的拟合具有较好的效果.

多模块构架式空间可展开天线背架的几何建模

为了满足空间任务对大口径及超大口径可展开天线的要求,根据天线背架与天线工作表面的形状特点,对抛物面型天线工作表面进行了球面拟合,提出了模块分层次拓扑的概念,分析了模块分层次拓扑的性质,给出了拓扑关系下模块数量的计算公式.在对平面进行正六边形模块划分的基础上,得到了平面关键点与其在球面投影的坐标关系,并基于齐次坐标变换方法,建立了单平面模块、多平面模块的正向拓扑几何模型,多平面模块的斜向拓扑几何模型,以及由六棱柱模块组成的构架式空间可展开天线背架的几何模型.通过算例对所建模型的分析及验证表明:该模型可以满足模块任意数量、任意大小的变化要求,能够实现模块间的无缝连接,从而为天线的结构设计以及背架展开状态的精度测量提供了理论参考.

基于气动性能优化的某型发动机外涵机匣结构设计

为减少某型发动机外涵流道内的气流损失,以总压恢复系数较大、制造工艺性较好为优化目标,开展了某型发动机外涵机匣结构设计方案研究。提出了外涵机匣模型简化准则,采用流体计算仿真软件ANSYS Fluent14.0分别从对外涵机匣总压恢复系数有影响的外型轮廓、集线盒外型、半/全长整流罩等3个考核方面进行了数值仿真分析。通过比较计算结果,分别得出了3个考核方面最优的结构方案,分别为平直段-长扩张段-平直段、半圆-叶型、半长整流罩。提出的外涵流道模型简化准则以及优化气动性能选取合理结构的思路为涡扇发动机外涵机匣的设计与分析提供了借鉴和参考。

航空发动机质量特性参数建模与分析

为准确掌握航空发动机整机质量特性,基于齐次坐标变换方法,建立了一种发动机整机质量特性参数的数学模型。根据合力之矩定理,建立了发动机整机质量特性参数的基础理论模型,分析了影响整机质心计算精度的特征参数;采用机器人学中的齐次坐标变换方法,建立了任意局部坐标系下零部件质心的空间几何模型,建立了局部坐标系相对于主坐标系的变换矩阵,从而建立了精确的零部件质心数学模型。采用算例对模型进行了验证与分析,分析结果表明:该数学模型能够精确的计算发动机各零部件质心参数,模型简单,计算精度高。

空间可展开天线基本单元构型的数综合方法

为对金属网面可展开天线进行构型创新研究,提出了一种基于图论理论的金属网面可展开天线基本单元构型的数综合方法.根据基本单元的展开方式,总结出其运动链的特点,建立了运动链与拓扑图的转换关系,得到了4种基本单元的拓扑图模型.将拓扑图进行子图化分解,分析了构件的拓扑对称性.采用双色拓扑图分析了机架在不同位置时运动副的拓扑对称性,得到了满足拓扑要求的基本单元的构型总数.通过例子阐述了由拓扑图综合成机构的过程,并讨论了机构间的构型演化.算例及分析表明:该方法得到的构型总数可方便计算机自动综合软件建立拓扑图库,同时为宇航空间可展开机构理论的研究提供了借鉴与参考.

多学科协同育人:高校工科专业课程思政建设实践探讨——以“机械设计基础”课程为例

以普通高等工科类院校专业基础课“机械设计基础”为例,分析课程思政建设面临的主要问题,提出“一中心、三统筹、五推进”的课程思政建设思路及多学科协同育人教学模式,从强化现代教育理念、优化人才培养方案、创新师资队伍建设、丰富课堂教学形式和完善课程考核方式等方面探讨课程思政建设的具体措施,并结合教学实例阐述多学科协同育人的实施过程和成效。

模块化可展开天线支撑结构设计与力学特性研究

为满足空间可展开天线大型化、高精度、高刚度发展的迫切需求,提出一种模块化空间可展开天线支撑结构新构型,并对其进行了力学特性研究。首先,基于机构学基本理论,开展了天线总体结构方案设计和结构详细设计,建立了由19个六棱柱模块组成的模块化可展开天线三维模型。其次,根据压杆稳定理论,建立了天线支撑结构静力学分析模型,得到了拉索预紧力的取值范围。再次,建立了天线结构动力学分析模型,进行了模态分析,开展了固有频率影响因素及灵敏度分析与研究。最后,研制了一套天线支撑结构原理样机,并进行了展开功能试验与验证。研究结果表明:预紧拉索对结构刚度的影响较大,配置预紧拉索后结构刚度提高了约2.01倍;固有频率对杆件材料密度和弹性模量、弦杆及斜腹杆尺寸参数较为敏感;研制的原理样机展开平稳、顺畅,验证了结构设计的正确性。研究结果为模块化可展开天线的基础研究及工程应用提供了理论参考和技术支撑。

航空发动机低压涡轮轴结构参数建模与分析

为研究成熟核心机的衍生发展能力,基于流体力学原理及强度理论,提出了1种低压涡轮轴结构参数的建模方法。根据涡扇发动机基本原理,建立了风扇叶尖直径、风扇角速度和低压涡轮轴输出扭矩的数学模型,并根据扭转强度、破坏扭矩和扭转稳定性等强度理论,建立了1种低压涡轮轴结构参数的数学模型。运用该模型讨论了某型核心机的衍生发展能力,分析了涵道比、低压涡轮轴壁厚与其外径及质量间的影响规律。结果表明:当涵道比一定时,低压涡轮轴外径与壁厚成反比,质量与壁厚成正比;当壁厚一定时,低压涡轮轴外径和质量均与涵道比成正比。

面向空间折展机构的刚性折纸研究现状与展望

刚性折纸是折纸领域中一个非常活跃的分支,在折展时可以实现二维与三维的连续变换且折痕以外的面板内部无应变,适用于多种刚性折展机构。基于刚性折纸构型衍生的空间折展机构具有形面精度高、折展比大和自由度数量少等特点,可以满足航天工程对空间折展机构大尺度、轻量化以及高精度的需求。针对未来发展趋势,概述了刚性折纸几何设计及运动学基础,阐述了目前与空间折展机构相关的刚性折纸的典型构型,重点介绍了各种构型的特点及相关研究进展。根据折痕的复杂程度,从不同刚性折纸构型出发,综述了面向空间折展机构的刚性折纸的应用及研究现状;从构型创新设计方法、厚板化设计方法、动力学特性分析方法、机构智能化设计方法和微重力卸载方法 5个方面展望了基于刚性折纸的空间折展机构未来的发展方向及研究重点,旨在为大型空间折展机构的基础研究和工程应用提供借鉴与参考。

大口径网面空间可展开天线结构撞击动力响应研究

在轨运行的大口径空间可展开天线可能会遭遇空间碎片的高速撞击,这严重威胁了星载天线的安全服役。为研究空间网面可展天线支承结构及抛物面索网在高速撞击时的动力响应,选用ANSYS/AUTODYN有限元软件,建立大口径空间网面可展开天线动力学撞击仿真模型,模拟天线展开锁定时遭遇2.5 mm~7.5 mm的空间碎片撞击的全过程动力响应。考虑1.0 km/s~15.0 km/s的撞击速度和不同撞击位置工况下,天线结构的整体动力响应、关键杆件及抛物面索网损伤状态以及结构整体变形性能。结果表明:空间可展天线结构受微小空间碎片撞击的结构响应过程可分为局部振动、拉索约束以及整体振动三个阶段,撞击点越靠近天线形心,结构响应越明显,结构的平均变形越大;随着撞击速度增大,可展天线的结构平均变形表现为先增加后减小趋势,当撞击速度大于12.5 km/s时,天线受撞击的影响区域逐渐缩小;空间可展天线受微小空间碎片高速撞击时整体形面变形不可忽视,可为后续天线结构防护及易损性分析提供参考。

空间可展开天线结构的研究现状与展望

对国内外可展开天线的研究现状进行了综述,分别对固体反射面可展开天线、充气式可展开天线和金属网面可展开天线的优缺点进行了分析,然后指出了我国在可展开天线结构方面的研究进展。最后,结合航天科技的发展趋势,提出了未来可展开天线的研究方向,旨在为我国可展开天线的研究提供借鉴与参考。

多模块构架式空间可展开天线背架的模态分析

为掌握多模块构架式空间可展开天线背架的固有振动特性,根据背架的结构特点,基于齐次坐标变换方法,建立了多模块背架的几何模型;运用有限元软件ANSYS建立了天线背架的有限元分析模型,利用子空间法对其进行了模态分析,得到了结构的前10阶固有频率和振型,分析了固有频率的变化规律及振型的特点;研究了结构参数对背架固有频率的影响规律,给出了提高一阶模态的方法.分析结果表明,适当增加上弦杆、下弦杆和斜腹杆的直径,减小拉索的直径可以提高背架的固有频率.该分析方法为天线背架的动力学研究及结构的优化设计提供了理论参考.

构架式空间可展开天线结构优化参数预测模型

为了得到构架式空间可展开天线结构优化中目标函数与设计变量的解析表达式,基于BP神经网络建立一种天线结构优化参数的预测模型.根据天线背架的结构及神经网络的训练原理,构建对优化参数进行预测的网络模型;应用有限元软件ANSYS对优化参数进行数值计算,通过正交试验设计,得到BP神经网络的训练样本;调整传递函数、隐层节点数及训练算法,建立满足误差要求的优化参数的预测模型,利用检验样本对预测模型进行泛化能力检验.结果表明:网络预测值与有限元计算结果吻合较好,整体预测误差≤10%;并且模型运行时间短,仅需0.13 s.该模型能够较准确地预测结构的优化参数,为结构的优化设计提供了理论参考.

机械专业“四维融合”式人才培养模式研究与实践

针对机械专业学位研究生的实践能力不足等状况,分析存在学科基础相对薄弱、理论基础与工程应用脱节等问题,提出构建以理论教学、工程实践、创新训练和科学研究为闭环的“四维融合”式人才培养模式,并对该培养模式进行了探索实践。实践表明,通过“知识内化与技能培养”的强化教学、“工程导用”引领的实践与创新、“导练与导研”定向的科研活动多渠道的有机融合与不断完善,对研究生的实践能力的提升大有帮助。

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。

六棱柱模块化可展开天线形面精度分析

针对空间可展开天线大型化、模块化、高精度化发展趋势,提出一种六棱柱模块化空间可展开天线支撑结构形面精度分析模型。阐述了六棱柱模块化空间可展开天线的结构组成,分析了六棱柱模块化结构的拓扑规律。基于等包络圆思想及机器人学基本理论,提出了点面法和两点法2种包络圆数学建模方法,并由此建立了等包络圆交点数学模型及肋单元夹角数学模型,进而构建了用于六棱柱模块化可展开天线支撑结构形面精度分析的数学模型。最后,采用数值仿真与试验验证相结合的方式对建立的模型进行了验证。仿真及试验结果表明:包络圆能紧密地贴合在球面上,与球面吻合良好;数值仿真模型状态下,六棱柱模块间实现了准确连接;试验中特征点的绝对误差主要分布在5~10 mm,相对误差主要集中在0.05%~0.1%,肋单元夹角绝对误差多分布在0.05°~0.1°之间,表明测量值和理论值间偏差较小、吻合较好。所提出的形面精度分析模型能够求解出所有模块连接点的空间坐标,为超多模块可展开天线形面精度的分析及研究提供了理论基础。

模块化构架式空间可展开天线支撑机构设计

针对空间可展开天线大口径发展趋势的需求,提出一种模块化构架式可展开天线支撑机构。首先,基于机构学基本理论,对机构的结构组成、展开原理及锁紧方案等开展了总体结构方案设计;其次,从肋单元尺寸确定、运动学仿真分析、结构实体设计、缓释装置设计等4个方面开展了支撑机构结构设计与分析;最后,研制了一套模块化构架式可展开天线支撑机构原理样机,并在微重力装置上开展了展开功能试验。试验结果表明:依据设计方案研制的支撑机构,其展开过程平缓、顺畅,展开到位后能够顺利实现锁紧,验证了设计的正确性与可行性。所提出的可展开天线支撑机构及其设计与分析方法可为其它类型可展开天线的设计及研究提供参考。

大口径模块化空间可展天线支承结构撞击动力响应研究

空间可展天线在轨运行时可能会受到空间碎片的高速撞击,为研究天线支承结构受高速撞击时的动力响应特性,采用ANSYS/LS-DYNA有限元软件,建立了大口径模块化空间可展天线支承结构撞击动力模型。基于已有网壳结构的高速撞击试验,验证撞击模型的有效性。经与显式动力模型计算结果对比验证,提出了一种有效的撞击动力分析等效模型,分析了不同撞击位置和不同撞击速度参数对天线支承结构的撞击动态响应、破坏模式及关键杆件和整体结构变形性能的影响。结果表明:撞击点越靠近结构形心,撞击影响区域越大;高速撞击时破坏模式均为撞击区域小局部凹陷或击穿,结构整体稳定性较好;天线结构的最大变形通常发生在撞击点处,最不利撞击点为离约束最远端结构边缘,应对该处采取安全防护措施;随着撞击速度由高速增至超高速,撞击点处结构整体变形增大,但撞击响应区域呈先增大后减小趋势;撞击速度20 km/s时被撞击杆件快速发生冲剪破坏,整体结构变形区域最小。