空间大型桁架在轨增材制造技术的研究现状与展望

空间桁架作为航天器结构的理想支撑平台,在深空探测、高分辨率对地观测等空间任务中得到了广泛应用。大型化、轻量化是航天器及其空间附属机构的发展趋势,但受地空运载能力与运载成本的约束,现有常规就地制造技术已无法满足大尺寸、高性能、复杂结构件的太空应用需求。在轨增材制造(在轨3D打印)技术可突破常规就地制造瓶颈,解决空间制备难题,实现低成本在轨建设。在轨增材制造是一种在微/零重力作用、高交变温差、强辐射等极端环境条件下的新型制造技术,由于发展时间较短,技术成熟度较低,诸多基础科学问题与关键技术问题尚待解决。空间大型桁架的在轨增材制造不同于传统地面增材制造,是地面增材制造技术的拓展与延伸。目前,在基础研究方面,国内外已开展了空间微重力环境下的熔融沉积成形增材制造试验,验证了微重力环境下熔融沉积增材制造的可行性。在成形装备方面,中、美、欧等国家或联盟均研制了适用于空间站舱内的熔融沉积增材制造样机,而针对空间大型桁架在轨增材制造的舱外装备,尚处于概念设计向工程样机转化的阶段。在成形工艺方面,受限于装备进展,在轨熔融沉积成形工艺性能研究较少;在模拟微重力环境中增材制造方面,针对大尺寸、长轴径比聚合物及其复合材料熔融沉积成形制件的力学性能各向异性,已通过材料改性、层间粘结热调控等方法得到不同程度的改进。本文系统总结了空间大型桁架在轨增材制造技术的发展现状与研究进展。针对在轨熔融沉积成形增材制造,归纳综述了空间微重力影响、在轨成形装备、成形工艺等关键瓶颈技术的研究现状,探讨了空间大型桁架在轨增材制造面临的挑战与发展趋势,为空间大型结构的在轨构建提供了理论基础与技术参考。

空间大型桁架天线姿态与振动一体化控制

随着空间任务需求的增长,大型桁架结构在空间应用中更加广泛,使系统刚柔耦合特性不断增强,在轨运行时容易产生振动,从而影响系统的姿态稳定。为了实现空间大型桁架天线系统姿态与振动的一体化控制,基于拉格朗日原理完善了系统动力学模型,从根本上阐述了挠性结构振动与系统姿态角的耦合关系,提出了一种固定时间全局滑模控制器以实现一体化控制目标。仿真结果表明,所提控制算法能够在短时间内抑制挠性结构的振动响应幅值,同时可保证系统姿态的稳定。该算法具有良好的鲁棒性和固定时间收敛特性。

大型空间桁架结构装配序列的分层规划方法

为了自主规划空间在轨装配任务的装配序列,结合大型空间桁架结构的固有分层特性,提出了一种基于连接矩阵的分层规划方法.根据连接矩阵的定义和分层规划的基本原理,通过分析几何结构单元之间普遍的三种连接方式,提出了相应结构的连接矩阵建立方法和规则,来组织低层规划;通过对大型结构进行结构分析,运用桁架结构几何原理,建立整个结构的连接矩阵,来实现高层规划,并以常见的空间桁架结构为例进行了说明,从几何特性角度,讨论了该方法的普遍性.

大型空间桁架结构热分析的有限元方法

本文对太阳电池阵中央桁架系统进行了热流和温度计算。根据传热学理论建立了瞬态热平衡方程。应用有限元法对热平衡方程进行了求解。对热流和温度场的计算结果做了详细讨论 ,从中给出了若干结论 。

大型空间柔性桁架结构等效建模与动力学分析

大型空间柔性桁架结构具有周期性、大柔度、构型复杂等特点,其等效建模是进行振动控制器设计的关键性技术之一。基于能量等效原理和经典Timoshenko梁理论,对刚性连接的大型空间柔性正三棱柱桁架结构进行了等效建模与动力学分析,采用Taylor展开方法推导了等效梁模型的刚度和质量表达式,对比分析桁架结构与等效梁模型的固有振动特性,二者吻合较好。数值结果表明了等效方法的有效性且等效梁模型具有较高的精度。

大型空间桁架制作安装技术

简要介绍了上横梁吊装方案的比选,重点介绍了某斜拉桥主塔上横梁大型空间桁架结构的加工、运输、吊装等关键施工技术,并进行了安全性检算。实践证明,运用上横梁连续千斤顶悬吊安装方案,切实解决了无支撑大吨位钢横梁高空吊装及对位焊接难题,可为类似工程提供借鉴。

空间可展桁架结构等效动力学模型研究进展与展望

随着航天重大工程的逐步实施,桁架式空间可展结构正朝着大型化、轻量化和多功能等方向发展,该类桁架结构具有周期性、大柔度、构型复杂等特点。为满足大型空间结构的高精度、高可靠性要求,其动力学建模、非线性振动与振动控制等问题越来越复杂且难于处理。因此,大型空间可展结构的等效连续体建模成为研究热点。着重介绍大型空间可展桁架结构等效动力学建模的研究现状,综述了等效动力学建模的研究对象、方法及已取得的成果,提炼出等效动力学建模和与之相应的非线性振动与振动控制研究领域中亟待深入研究的关键科学问题。

一种用于空间在轨装配的两级递阶智能规划算法

为了解决空间装配规划问题,分别在桁杆层通过连接矩阵来表示装配序列,在结构单元层通过定向图表示法保证装配任务的可行性,并给出了一种多空间机器人连续装配策略。由此提出了一种两级递阶智能规划算法:一级规划根据分层表示,通过考虑装配方向和时间影响的改进蚁群算法生成无任务分配的装配序列;二级规划根据连续装配策略和一级序列,进一步通过考虑任务空闲度和路径效率影响的改进蚁群算法递阶生成有任务分配的装配序列。算例研究分别给出了两级规划得到的装配序列,并检验该算法是可行的。

基于模态误差贡献率的应变传感器优化布置

针对已经存在的ROC准则、模态累加准则等模态选取方法进行了研究,针对这些方法在复杂、对称的空间大型桁架结构中无法有效地选取关键模态信息的问题进行了深入的探讨,并提出了解决此类问题的模态误差贡献率法(MER)。通过以8 m天线背架为研究对象,在有效独立法的基础上,对既有的ROC法、模态叠加法和MER法进行了对比,结果表明:MER法有效地解决了复杂、对称的大型空间桁架结构的模态选取困难问题,有效地保留了能够更好反映结构信息的模态。

中车科技文化展示中心连续倒塌分析

以中车科技文化展示中心大型空间管桁架钢结构项目为研究对象,通过敏感性分析,合理选取结构关键构件,并运用等效荷载瞬时卸载法对各失效工况下的剩余结构进行连续倒塌的动力分析,评估结构抗连续倒塌的能力。此外,探讨在不同荷载、不同最大应力比情况下,结构动力放大系数值变化的规律。分析结果表明:该结构在采用备用荷载路径设计法进行抗连续倒塌分析时,等效荷载P的加载时间t0取30倍剩余结构自振周期可以满足精度要求;在静力分析时,结构动力放大系数值随结构最大应力比增大而增大,随作用荷载的增大而减小。