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。

考虑横向曲率的超弹性铰链纯弯曲非线性力学建模与实验

超弹性铰链依靠自身大挠度弹性折叠存储的弹性势能实现弹性展开,在卫星天线、太阳翼和空间探测任务中具有重要应用价值。基于Calladine壳体理论和冯卡门薄板大挠度理论,提出了纯弯曲状态下各项同性材料超弹性铰链的总应变能解析模型。该模型综合纵向拉伸、纵向弯曲和横向弯曲曲率的影响,并利用最小势能原理推导出非线性弯曲力矩;通过数值研究分析几何参数对峰值力矩的影响,搭建试验平台验证解析模型的准确性;加工12种不同曲率半径、厚度和中心角的镍钛合金超弹性铰链样件;通过试验测量出每个样件在同向和反向弯曲准静态折叠时的峰值力矩,验证了理论模型的准确性。该研究可以用来分析和测试其它类似薄壁超弹性铰链在纯弯曲状态下的峰值力矩,对于设计超弹性铰链具有重大意义。

双层超弹性铰链展开冲击分析与优化

超弹性铰链依靠自身大挠度弹性折叠存储的弹性势能实现弹性展开,集驱动、旋转和锁定于一体。研究了双层超弹性铰链展开冲击性能,提出了降低双层超弹性铰链展开冲击优化方法。为了确保有限元模型的准确性,搭建实验平台对双层超弹性铰链进行动力学展开性能测试,基于实验结果对有限元模型进行修正。采用正交法试验设计建立展开冲击特性代理模型。以展开冲击角度和锁定时间最小为目标函数,采用改进的非支配遗传算法对双层超弹性铰链进行参数化优化设计,得到最优结构尺寸。对最优结构尺寸进行有限元展开分析,误差不大于5.008%,表明代理模型准确性。最优非等厚度与等厚度双层超弹性铰链对比,发现前者冲击角度和锁定时间分别降低52.154%和29.104%,优化后结构的冲击得到明显改善。通过参数研究发现,展开冲击对外侧带簧厚度较为敏感,锁定时间随带簧厚度增加表现出先减少后增大的趋势。

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。

百米级多超弹性铰链抛物柱面天线折展机构设计与运动学分析

为了满足空间任务需要,对可折展薄膜天线应用需求非常迫切,且朝着大展收比、高精度化、轻质化的方向发展。提出一种百米级多超弹性铰链抛物柱面天线折展机构,该机构主要由超弹性铰链、三棱柱伸展臂、横向折展肋、同步铰链和索网组成;三棱柱伸展臂能够进行纵向折展,横向肋进行横向二次折展。该机构采用模块化设计,依靠横向和纵向分布的超弹性铰链弯曲变形时存储的弹性势能实现展开和锁定,具有无源驱动的特点。考虑了超弹性铰链和绳索的非线性影响对该机构进行静刚度分析;采用位移坐标分析法和拉格朗日方程,分别建立了横向肋展开、三棱柱伸展臂纵向展开的运动学模型,为抛物柱面天线折展机构的宇航应用提供了理论基础。

基于MATLAB和ADAMS的电池阵展开动力学分析

太阳电池阵是卫星上重要的组成部分,在展开过程中会对卫星本体造成冲击,引起卫星本体姿态的变化,研究展开过程的动力学特性很重要。建立一种含超弹性铰链的电池阵模型,分析了两块帆板的展开运动过程,改变铰链的峰值力矩和平衡力矩大小,通过对比,分析不同的峰值力矩和平衡力矩对该机构展开动力学性能的影响。根据拉格朗日方程推导该机构展开运动的动力学公式,并用Matlab进行求解,验证了Adams模型的正确性。