空间可展桁架结构动力学分析

采用广义逆矩阵方法分析空间可展桁架结构的运动过程.以笛卡尔坐标系下节点的自然坐标为未知量,建立桁架结构展开过程的动力学基本方程,将约束方程嵌入动力学方程,导出一组不含乘子且方程数目等于结构自由度数的动力学方程.采用主动校正法对数值分析的约束违约进行了修正.提出了一种切实有效的数学算法构造了约束方程及其雅可比矩阵,实时地模拟了结构收纳过程的约束条件.自行编制的仿真程序算例证明了该分析方法的正确性.

织物复合材料空间可展桁架模态试验与分析

航天器正朝着大型化、轻量化和模块化的方向发展。由织物复合材料制成的空间可展桁架结构,作为航天器的组成结构有广泛的应用前景。以一个由织物复合材料制成的空间可展桁架结构为研究对象,开展了微重力环境下的模态试验和仿真分析。结构主要由空心圆管、三角形隔板和斜加劲索组成。模态试验采用气动-电磁悬挂系统实现结构重力卸载,模拟微重力环境。仿真分析中,空心圆管由织物复合材料构成,假设为正交各向异性材料结构;三角形隔板由铺层复合材料构成,假设为各向同性材料结构;考虑斜加劲索的预应力对结构刚度及斜加劲索自身有效弹性模量的影响。最终得到的仿真结果与试验对应关系良好,对大型预应力空间可展桁架研究具有参考价值。

变拓扑空间可展桁架多体系统动力学建模与分析

随着空间折叠式桁架可展长度的增大与结构的复杂化,对空间大型展开机构动力学分析的计算规模逐渐增大。为了减少系统的广义坐标个数,该研究取铰的相对坐标为系统的广义坐标,基于单向递推组集方法建立太空望远镜桁架展开过程的动力学模型。利用Jourdain速度变分原理建立了各柔性部件的动力学变分方程,根据各柔性部件之间的运动学递推关系,并引入切断铰的约束方程,建立了柔性多体系统的刚-柔耦合动力学方程。针对柔性部件展开锁定时容易出现的数值计算问题,提出了在缓冲减速的基础上施加相对角约束的变拓扑方法。基于动力学模型对11节桁架单元的太空望远镜桁架展开过程进行数值仿真。为了进一步缩减计算规模,根据系统结构的对称性和纵向载荷分布的均匀性,将多个桁架和主镜组成的多体系统简化为单个桁架与主镜的一部分组成的系统进行数值仿真。将单个桁架系统展开过程的数值仿真结果与多个桁架系统的仿真结果进行对比,验证了简化动力学模型的准确性和有效性。在此基础上进一步对30节桁架单元的桁架展开过程进行数值仿真,通过对比柔性桁架与刚性桁架在展开和碰撞锁定过程中仿真结果的差异,分析了弹性变形对系统动力学特性的影响。

含间隙铰空间可展桁架结构的动力学实验

为研究微重力环境下含铰接间隙航天可展结构的动力学特性,让可展桁架结构分别在水平悬吊和垂直安装情况下展开到位后突然锁定,测试并比较标志点的衰减振动加速度响应。在水平安装时,用橡胶绳把每一部件悬吊起来,以尽量消除部件重量对铰关节的作用力。实验结果显示,与垂直安装状态相比,水平悬吊安装状态下含间隙桁架结构衰减振动的加速度幅值响应减小,振动时间较短,有更宽的频谱响应和严重的响应滞后现象,对铰间隙的初始运动状态呈现出高度敏感性。

织物增强形状记忆复合材料大型空间可展桁架研究进展

围绕新型织物增强形状记忆复合材料空间可展桁架,总结了材料研制、结构制备、形状记忆行为、多尺度力学模型和地面试验的相关研究进展。可展桁架纵杆为织物增强复合材料制成的薄壁管,复合材料是将二维碳纤维织物添加到环氧形状记忆树脂中制备而成,通过调整基体树脂和固化剂的配比可控制材料的形状记忆性能。基于相变理论构建了形状记忆本构模型,并应用三点弯曲试验验证。通过微观、细观、宏观多尺度方法,计算了复合材料的均匀ABD刚度矩阵,依据Kirchhoff假设推导了薄壁管等效空间梁单元。搭建地面技术演示平台,验证形状记忆可展桁架单元收纳比达到50:1,形状恢复率约为100%。

双环可展桁架结构动力学分析与试验研究

基于广义逆矩阵方法分析双环可展桁架的运动过程,通过数值仿真,得出双环可展桁架在展开过程中的各个状态.经过对比分析可知,对于大口径天线,双环可展桁架的刚度可以比同口径单环可展桁架明显增加.利用上述仿真程序输出的几何模型,进一步对50m双环可展桁架原型建立有限元模型,并进行展开过程中各状态的振动模态分析.对2m天线试验样机采取悬挂法消除重力影响并进行振动模态试验,且将其与有限元计算结果对比,结果表明两者的频率较为接近,验证了有限元动力学分析的正确性.

星载平面可展天线支撑桁架的结构效率优化

针对折展结构性能存在多指标且这些指标之间又相互制约的特点,把结构效率引入到可展结构的优化设计中,应用多因素正交试验法对一种空间可展开平板天线支撑桁架的优化问题进行了研究。对其关键几何设计参数进行了分析,建立了桁架结构的优化数学模型,以结构效率最大化作为优化目标,对可展桁架进行了结构优化,得到了支撑桁架各杆件的设计参数。结果表明:结构效率综合考虑了质量和刚度的影响,使结构质量和刚度同时得到优化;长宽比(l/w)是影响可展桁架结构性能的主要因素,对不同优化目标产生影响的次要因素有所不同;截面积对结构效率影响不显著(置信度p=90%),在相同杆长参数配置下,等截面可展桁架的结构效率仅次于变截面方案,但工程经济性最佳。该研究方法有助于在概念设计阶段从系统设计的角度进行空间桁架结构的快速设计与优化。