盘绕式伸展臂展开模式的力学原理

盘绕式伸展臂是一种空间伸展臂,可用于太阳电池阵、太阳帆、探测臂等空间伸展机构.它有2种展开模式:逐层展开和螺旋展开.以三角形横框铰接盘绕式伸展臂为对象,分析了以逐层展开模式伸展的原理.首先,由于斜拉索不可伸长,导致横杆在伸展臂变形过程中会发生弯曲,并有一个最大弯曲形态.通过在MSC.ADAMS中建立盘绕式伸展臂模型进行仿真计算,可以得到横杆刚度对伸展臂展开过程的影响.以此工作为基础,提出判据:纵杆对第2层横杆的压缩能力和横杆的抗弯能力决定了伸展臂的展开模式,利用相关仿真模型,对这一结论进行了验证.最后,用弹性细杆的Kirchhoff动力学研究了纵杆变形,得到了伸展臂构型参数和展开模式之间的规律.该结果可以作为盘绕式伸展臂设计阶段的参考.

盘绕式伸展臂初步设计与分析

简要介绍盘绕式伸展臂的组成,并对三种展开控制方式进行对比分析。分析伸展臂构型设计,包括纵杆数目、横架形状、连接方式和材料选取原则等,由此得出伸展臂关键设计参数间关系的计算公式。通过推导力学模型,得出伸展臂展开状态力学特性的计算公式。

考虑斜拉索松弛的盘绕式伸展臂振动模型

盘绕式伸展臂展开后,由于预紧力的作用,横杆被压缩至弯曲状态,同时斜拉索张紧.振动幅度较大时,斜拉索会松弛.以建立一种可以描述上述情况下盘绕式伸展臂基频特性的模型为目的,针对弯曲横杆及可松弛斜拉索做了如下处理,用较小的弹性模量及相应的预应变来模拟横杆受压弯曲后刚度较小,并具有预应力的特点;用一根可拉压杆模拟两根交替松弛的斜拉索.按照上述思想将松弛前后的盘绕式伸展臂作为两种结构,分别在Ansys中建立模型,计算得到这两种结构的基频.之后将伸展臂等效为满足分段线性刚度特性的连续梁模型,其分段刚度对应斜拉索松弛前后两种结构.结合有限元模型得到的斜拉索松弛判据,建立振幅较大时盘绕式伸展臂的振动方程.使用等价线性化方法,得到盘绕式伸展臂等效频率随端部振幅的变化关系,并用Ansys的瞬态分析对上述等效频率结果进行了仿真验证.上述模型及结果可以作为盘绕式伸展臂的设计指导及振动控制的理论基础.

盘绕式伸展臂收纳过程理论分析与数值模拟

盘绕式伸展臂在收纳过程中的力学行为决定其展开性能,收纳过程是否顺利是工程设计的关键问题,这取决于纵杆和三角框的刚度关系。盘绕臂收纳过程中纵杆和三角框均体现出大转动、大变形的特性,三角框还体现大挠度后屈曲特性。该文采用势能驻值原理及几何精确理论建立三角框的后屈曲列式,计算出三角框的后屈曲刚度,基于势能驻值原理推导出盘绕臂收纳过程中通长纵杆的平衡方程以及保证稳定平衡的最小三角框屈曲后刚度,并得出盘绕臂设计使用的参考公式;为验证参考公式的正确性以及对收纳全程进行精确计算,采用自适应弧长迭代,基于增量有限元法模拟了盘绕臂收纳全过程,得到收纳过程中结构应力-应变及能量变化;通过对解析解和数值解在平衡方程、自由端高度、最小三角框刚度、能量守恒等关键参数的计算结果进行对比来相互论证计算的正确性。该文推导的解析公式与增量有限元法的精确模拟可相互补充,共同服务于盘绕臂设计中的参数选定和收展控制。

盘绕式伸展臂非线性振动力学分析

盘绕式伸展臂非线性振动特性决定加劲索的预应力取值及航天器的振动控制,采用几何精确理论与屈曲分析理论推导出静力条件下加劲索预应力取值范围,在此范围对盘绕臂的非线性振动进行计算。针对小幅非线性振动,考虑加劲索预应力的加载作用引发P-Δ效应的影响,采用特征值迭代法求解不同预应力下模态及频率,得到使盘绕臂自振频率最大的预应力值,总结出设计用的加劲索"频率-预应力-直径"参考面。针对大幅非线性振动,采用动力时程信号处理法,基于显式动力学积分获取盘绕臂大幅振动时程信号,结合快速傅氏变换(FFT)和随机子空间(SSI/data)两种方法,基于MATLAB平台编制时程信号处理程序,用于提取大幅振动的频率及模态。在动力时程信号中发现加劲索在大幅振动中的高频交替张弛使盘绕臂能量分布迅速达到动态平衡,从而使盘绕臂振幅迅速衰减。最后制作盘绕臂模型进行模态试验,测试的结果与计算结果基本吻合。

盘绕式空间伸展臂连续纵杆大转角纯弯曲试验

盘绕式空间伸展臂连续纵杆在收展过程中受力和变形复杂。为研究纵杆的弯曲行为,研制了大变形大转角纯弯曲试验机构,机构通过加载小车转动和平移对试件施加纯弯矩。利用研制的试验装置,对玻璃纤维增强复合材料纵杆试件进行试验。试验测得了纵杆的载荷-位移曲线,然后计算得到弯矩-曲率关系及变形的几何限制、弯曲刚度。本文研究对盘绕式空间伸展臂的设计具有参考价值。

亚太大学生小卫星SSS-1系统设计与在轨试验

亚太大学生小卫星SSS-1于2021年10月14日搭载长征二号丁(LM-2D)运载火箭从太原卫星发射中心(TSLC)发射入轨,本文就该卫星的项目背景、空间任务等进行了介绍,并给出了SSS-1卫星的有效载荷配置和平台系统设计,包括结构、热控(TCS)、姿控(ADCS)、星务(OBDH)、电源(EPS)和测控(TT&C)等6个典型分系统。卫星入轨迄今已超过半年,对该卫星的在轨运行情况和空间试验任务执行情况进行了描述,给出了卫星平台健康状态、盘绕式伸展臂展开、遥感相机成像等在轨相关数据/图像,从而说明和验证了卫星设计和研发的成功性。