多闭环厚板折展蜂窝机构的几何设计与性能分析

基于厚板折纸理论设计出一种单闭环空间折展机构,并用螺旋理论对机构的自由度进行了分析。引入Myard类型约束和Sarrus类型约束,提出将机构自由度降低为1的2种方法,对应得到M型和S型折展蜂窝单元。将2种折展蜂窝单元的运动特征与平面镶嵌原理相结合,构造出M型和S型折展蜂窝机构。研究了设计参数对机构折展率的影响规律,并以提高折展率为目标对机构的结构进行了优化。研究结果表明,M型折展蜂窝机构完全展开后可形成单侧平整的表面;S型折展蜂窝机构的折展率更大。

具有变泊松运动特性的剪叉式折展机构运动学分析

为提高折展机构的折展率和支撑性能,提出了一种具有变泊松运动特性的剪叉式折展机构并对其进行运动学分析。首先,提出了一种单闭环厚板支撑单元并将其应用于三明治结构,利用ANSYS Workbench软件分析不同形状夹芯层对三明治结构支撑刚度的影响,发现采用厚板支撑单元的三明治结构具有更好的支撑效果和更小的质量,且可通过改变结构设计参数来实现正负泊松比的切换。然后,根据泊松比的定义,设计了一种具有变泊松运动特性的正n边形剪叉式折展机构;基于螺旋理论,通过绘制闭环折展机构的旋量约束拓扑图分析得到其自由度为1,将折展机构分为3种模块并阐述了模块化纵向扩展的原理和过程。最后,建立了m层正n边形剪叉式折展机构的运动学模型并搭建了正四边形剪叉式折展支撑结构实物样机,进一步验证了机构的变泊松运动特性,这可为后续的研究提供理论基础。

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。

基于故障树法的空间球型折展机构可靠性分析

以空间球型折展机构展开失效为顶事件,建立了展开失效故障树模型;基于Reliability Workbench(RWB)故障树模块,得到了展开失效故障树最小割集;采用Fussell-Vesely重要度计算方法,确定了次事件中折展模块展开失效的重要度最高。

仿象鼻螺旋形折展机构设计与应用研究

基于象鼻卷起及伸展两种姿态,设计了一种多模块组成的螺旋形空间折展机构。分析模块间的几何关系,通过D-H法算得模块端点位置;探讨了螺旋形受模块夹角、长度、数量及缩放系数的影响;通过尺度优化,从整体上设计螺旋形状,以太阳翼的设计为算例,将最大展开长度作为目标函数,以螺旋形范围、间距和杆件尺寸为约束条件,计算得出尺度参数;给出了太阳翼、抓手等应用的三维模型,并针对每个应用简要说明了合适的驱动方式。该机构具有广泛的应用前景,可为螺旋形机构的设计提供些许参考与借鉴。

可展开固体反射面天线折展机构设计及分析

针对传统固面可展开天线中旁瓣绕双转轴独立折展造成的系统同步性差及可靠性低的问题,设计并分析了一种单自由度折展方案。首先提出了基于粒子群算法的收拢态位姿确定算法,结合等效轴角定理给出了单自由度旋转展开的参数确定方案;以相邻旁瓣运动轨迹为基础,结合变密度拓扑优化方法给出了反射器背架设计方案,分析结果表明本文所设计背架可使反射器热变形降低62.5%,基频提高了4倍,充分证明了背架设计的有效性。以一款10 m口径固面可展开天线为对象进行了折展机构设计,并分析了折展过程中运动学、动力学参数变化规律。基于螺旋理论对折展机构进行分析,得出了多种消极运动副引入方案,并最终选取RSPRR进行机构非过约束设计。分析结果表明,本文所述的固面可展开天线可以完成收拢态与展开态之间的切换,收纳率达到了0.384,折展过程平稳可靠,验证了该设计方案的可行性。同时,相关研究方法及结论可以为固面可展开天线的设计提供技术参考。

平面折展变形翼机构运动学与动力学分析

平面折展变形翼机构是一种可兼顾高低速工况的变形翼机构,该机构可实现翼弦、后掠角和机翼面积的变化。基于平面折展变形翼单元机构的结构组成,采用复数矢量法对单元机构进行运动学建模,采用达朗贝尔原理对单元机构进行动力学建模。采用Matlab软件对机构的动力学模型进行数值计算,并绘制机构所需的速度、加速度、平衡力的变化曲线。将数值计算结果与Adams仿真结果进行对比分析。研究结果表明:运用达朗贝尔原理对平面折展变形翼机构的单元模块进行动力学分析,可以得到机构在变形情况下的运动副约束反力和平衡力。通过对比理论计算和仿真分析结果,验证了平面折展变形翼机构动力学模型的正确性,可为该机构动力学特性的深入研究提供理论参考。

高折展比载人月球应急返回车设计与分析

月球探测用应急返回车的相关技术研究是我国未来载人登月探测的重要任务。根据应急生保和月面短距离移动需求,本文从安全舒适性、操作可靠性和工作空间出发,设计了一种立方体载人月球应急返回车,对车身构型、折展模式、驱动方式、底盘结构、悬挂转向和车轮等多个模块进行了设计优化,并进行了试制和试验。结果表明,整车能够实现自动折展,具有较高的展/折比(大于17),满足行驶、转向、越障、爬坡等移动需求。

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。

平面折展机构S形柔性铰链设计与试验

设计平面折展柔顺机构的关键技术之一是设计柔性铰链。提出了一种用于平面折展柔顺机构的S形柔性铰链,设计了该铰链的结构形式,并对其等效刚度进行了分析,推导出该结构形式铰链的弯曲等效刚度和扭转等效刚度计算公式。通过设计实例的理论计算和有限元仿真分析,验证了计算公式和仿真模型的正确性。制作了基于S形柔性铰链的平面折展柔顺滑块机构的实物模型,仿真分析和测试结果表明,该机构在工作状态可具有较大变形,并且滑块位移达到76 mm时仍能保持良好的精度,仿真与测试结果基本一致,误差仅为0.76%。

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。

小型侧翼折展式林果收集装置的设计与试验

为了解决现有林果收集装置体积庞大,结构复杂,对果树行间距要求高等问题,该文以国内外现有林果收集设备为基础,以折展性能较好的空间折展机构为切入点,提出了一种小型侧翼折展式林果收集装置。对收集装置的主要结构—侧翼折展机构,进行了运动学分析,采用遗传算法对此机构的主要杆件进行尺寸优化,并建立侧翼折展机构的三维模型,导入ADAMS动力学分析软件中进行仿真和计算。根据理论分析与仿真结果,加工试验样机,进行野外采收试验和末端轨迹验证,比较虚拟仿真轨迹与由高速摄像捕捉到的样机实际运动轨迹,验证了侧翼折展机构设计方案的正确与可靠性,并得出此收集装置对于大枣树和银杏树的平均承接率分别为84.68%和66.71%,可为后续机构的改进提供参考依据。

平面折展升降柔顺机构设计

基于微型升降机构的工作原理,设计了一种平面折展升降柔顺机构,建立了该机构的伪刚体模型,利用虚功原理推导出平面折展升降机构的输入载荷与输出位移关系的计算公式。设计了基于LET铰链和LOOP铰链类型的平面折展升降机构实例,并对其中包含弧形片段的LOOP柔性铰链的弯扭耦合等效刚度进行了研究,分析得到其弯扭耦合等效刚度计算公式,通过2个设计实例的理论计算和有限元仿真分析,验证了理论公式和仿真模型的正确性。设计了基于LOOP铰链的升降机构的实物模型,计算、仿真分析和测试结果表明,该机构可产生较大提升量并且仍能保持良好的精度,达到了设计目标。

四面体式折展机械臂设计与分析

为解决现有部分机械臂收拢率低、末端姿态不可调节等问题,基于四面体单元提出一种折展机械臂机构。首先,阐述了一种单自由度四面体单元机构,该机构具有高刚度和较好的折展性,基于螺旋理论分析了四面体单元的自由度;其次,将多个四面体单元通过特定组合构造一种多自由度折展机械臂机构,以2个四面体单元组成的机构为例,基于几何方法求解各节点的位置、姿态和速度,并得出多个单元组合机构的运动规律;通过ADAMS仿真分析对运动理论分析结果进行验证,应用Workbench有限元仿真软件进行静力学和模态分析;最后,进行了折展实验。研究表明,基于四面体单元的折展机械臂具有多自由度、姿态可调及大收拢率的特点。

可折展载人月球车移动性能仿真与试验分析

为更加有效地研究载人月球车移动系统低重力环境下的移动性能,建立了载人月球车仿真模型,并对地月两种不同重力环境下的移动性能进行了仿真对比分析,在地面重力条件下极限越障高度明显降低。轮地相关参数不变,仅改变重力加速度,仿真得到载人月球车移动系统地面重力下最大可爬坡角度小于月面重力下可爬越最大坡角。同一越障高度,土壤相关参数一致,重力加速度不同的情况下,地面重力条件下移动系统质心加速度明显大于月面重力条件下的质心加速度值。在移动性能仿真分析基础上,对可折展载人月球车移动系统地面原理样机进行了搭建,在保证地月不同重力环境下车轮及悬架承受的有效载荷一致的前提下,在地面重力条件下,利用实验室松散沙土模拟月壤进行了越障和爬坡等通过性能试验,验证了所设计的移动系统满足设计约束要求,为后续载人移动系统的深入设计奠定了基础。

基于增量谐波平衡法的含索铰可折展桁架非线性动力学特性

为了揭示含索铰可折展桁架的非线性动力学行为,建立了考虑铰链间隙、刚度和阻尼及索非线性特性的可折展桁架纯弯曲动力学模型。对非线性动力学方程进行一次泰勒展开和参量的多次谐波描述,实现了非线性动力学方程到代数方程的转化,通过迭代进行非线性动力学系统的响应计算。并利用龙格库塔方法对非线性系统进行数值分析,与增量谐波平衡(IHB)法进行对比,验证了IHB法计算的正确性。以激振频率为变化参数,对悬臂支撑的含索铰桁架结构进行解的稳定性分析,得到铰链间隙、铰链刚度、激振力和索对结构响应稳定性的影响。基于IHB法可快速准确的进行多自由度可折展结构动力学求解,为研究大型折展桁架的动力学行为奠定了基础。

空间伸展臂折展单元展开运动特性分析

基于对国内外空间伸展臂机构研究状况分析,提出一种四棱柱型剪叉式空间伸展臂。在分析伸展臂工作原理的基础上,确定折展单元(剪叉单元)的构型特征,并基于螺旋理论求解伸展臂折展单元运动度,验证四棱柱型剪叉式空间伸展臂的运动单一性和折展稳定性。据此,分析空间伸展臂折展单元的几何特性,获得折展单元轴向展开运动规律线图,并利用所研制的原理装置在低重力模拟环境下完成伸展臂展开性能和重复展开精度测试,结果表明四棱柱型剪叉式空间伸展臂满足空间折展机构的功能需求。

新型平面折展机构柔性铰链等效刚度分析

平面折展柔顺机构(Lamina emergent mechanisms,LEMs)是一种新型柔顺机构,其优势是机构由二维薄板平面加工生成而能实现三维运动,而平面折展机构柔性铰链是实现其运动的关键部分。提出一种新型平面折展机构柔性铰链,对该柔性铰链进行分析,分别用等效法和微分法推导出该铰链的两个等效刚度计算公式,并对公式的适用范围进行研究。通过设计实例的分析计算,导出两个等效刚度计算公式的适用范围,并用一组实例的理论分析和有限元分析结果的对比对其进行了验证。

扇形太阳翼重复折展机构运动仿真及其功能试验

传统折叠式太阳翼体积与重量大,采用一次性展开锁定机构易引起航天器调姿或变轨时的颤振.为此提出了一种新型扇形太阳翼重复折展机构.基于ProE/Adams联合仿真,建立虚拟样机模型,获取不同电机转速下扇形太阳翼转动导板展开运动参数的变化规律,对所研制的扇形太阳翼重复折展机构原理样机进行展开功能试验.对比仿真与试验结果可知,在电机允许转速范围内调节转速,扇形太阳翼重复折展机构均可在规定时间内完全展开锁定,具有重复折展与锁解功能,且仿真与试验数据高度吻合,表明其符合设计要求.

重复折展锁解式太阳翼多体系统动力学建模与分析

为研究重复折展锁解式太阳翼展开力学特性,针对其有根树链式拓扑结构特点,依据一阶模态刚度分析假设模型,由Jourdain变分原理建立太阳翼树形柔性多体系统动力学理论模型;结合太阳翼关节铰机构运动规律,采用单向递推组集建模方法构建太阳翼展开过程正逆混合动力学模型;基于重复折展锁解式太阳翼结构参数和物理性能参数进行数值仿真,研究蜂窝夹层复合式基板柔性结构对太阳翼展开力学规律的影响,得到太阳翼各基板质心运动规律及其展开过程所需施加的驱动力矩.所得结果可较好地预测太阳翼展开过程的动态行为,为其后续工程应用提供依据.