空间索杆铰接式伸展臂设计与试验研究

给出了空间索杆铰接式伸展臂的工作原理以及驱动原理,研制了一套空间索杆铰接式伸展臂及其套筒式驱动机构,该驱动机构能够实现顺畅的展开和收拢伸展臂功能。设计制作了重力平衡装置,并且对伸展臂展开和收拢进行了零重力地面模拟试验。对伸展臂展开、收拢过程中临界刚化时刻进行了力学分析和计算。通过试验测试了伸展臂在展开、收拢过程中驱动机构电机输出力矩的变化情况,并与理论分析进行了对比,验证了理论分析的正确性。通过试验分析了重力、展开速度以及伸展臂前端负载质量及惯性扰动对驱动机构动力特性的影响。通过试验测量了伸展臂的重复展开精度,验证了空间索杆铰接式伸展臂具有较高的重复展开精度和定位精度。

空间索杆铰接式伸展臂性能参数分析与设计

提出了评价空间索杆铰接式伸展臂性能的主要参数,分析研究了空间索杆铰接式伸展臂的主要性能参数与伸展臂几何特征参数的相互关系.推导了伸展臂线密度、收拢率、弯曲刚度和抗弯强度等性能参数的表达式.分析了伸展臂材料特性对伸展臂性能参数的影响,讨论了空间索杆铰接式伸展臂的稳定性问题,分析了局部失稳与整体失稳的条件.基于抗弯强度约束、弯曲刚度和抗弯强度共同约束两种约束模式对伸展臂进行了设计,建立了伸展臂几何参数和线密度与抗弯强度和弯曲刚度之间的关系方程,并将设计结果与美国ADAM(AbleDeployable Articulated Mast)伸展臂参数进行了对比分析.

正八面体单元空间伸展臂研究

空间伸展臂是广泛应用的航天结构。本文分析了正八面体单元伸展臂的构成原理；推导出展开过程的运动轨迹和滑动－转动单元的两种９×９刚度矩阵；建立了在预应力和外载下的受力分析模型。

柔性索对空间索杆铰接式伸展臂性能影响分析

为了研究柔性索对空间索杆铰接式伸展臂力学特性及稳定性的影响,对伸展臂自平衡状态的受力情况进行分析,计算出满足伸展臂承载结构的最小索拉力设计值.计算表明,伸展臂展开驱动力矩随索拉力的增加而成比例增大;伸展臂的轴向拉伸刚度、剪切刚度和扭转刚度随着索的抗拉刚度增加而增大;静刚度实验表明索张力对静刚度几乎没有影响.仿真分析表明,增加斜拉索直径可以提高伸展臂的扭转振动频率,而斜拉索直径及张力对伸展臂的弯曲和轴向振动频率影响较小.对不同索张力的伸展臂桁架单元进行了动力学试验,验证了仿真分析的正确性.伸展臂铰接结构受力分析表明,增大索张力有利于提高伸展臂稳定性.

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。

空间索杆铰接式伸展臂参数设计与精度测量

结合空间索杆铰接式伸展臂在航天工程中的应用,基于伸展臂从航天器伸出且前端支撑负载的在轨工作状态,运用欧拉梁理论建立了悬臂式伸展臂理论分析模型。分析了工作状态下伸展臂与负载系统的固有频率和根部弯曲强度,提出了基于伸展臂固有频率限制和根部弯矩限制的伸展臂参数设计方法。通过算例分析了伸展臂线密度、半径、纵杆截面面积等主要设计参数与伸展臂固有频率和根部弯矩之间的关系。研制了伸展臂原理样机,其弯曲刚度和抗弯强度分别为0.388 MN.m2和562.12 N.m,验证了伸展臂具有较高的刚度和强度。对伸展臂物理样机的地面重复展开定位精度进行了测量实验,其轴向、水平、竖直方向上的重复展开精度分别为0.127 mm、0.645 mm和0.588 mm,证明了伸展臂具有较高的重复展开定位精度。

索杆式伸展臂系统的实验分析

为了验证索杆式伸展臂高精度、高刚性的特点,制作了一类索杆式伸展臂模型,并设计了相应的实验所需的零重力环境模拟设备.简单介绍了该类型索杆式伸展臂模型的结构和驱动设计,重点分析了其重复展开精度实验和模态实验.重复展开精度实验验证了该类型索杆式伸展臂高精度的特点;在验证了零重力环境模拟设备对伸展臂模态实验可行性的基础上,对伸展臂模型进行了模态实验.通过实验模态频率和计算模态频率的比较,验证了该类型索杆式伸展臂高刚性的特点.

空间索杆铰接式伸展臂故障树分析

结合空间索杆铰接式伸展臂的应用环境,在分析空间索杆铰接式伸展臂组成和展开原理的基础上,建立以伸展臂展开失效为顶事件的故障树,分别对其进行定性及定量分析,获得各底事件的失效概率、概率重要度和关键度结果,确定引起伸展臂展开失效的主要因素.结果表明驱动力不足、角点滚轮卡死、精度失效是影响伸展臂正常展开的主要因素,据此提出了相应的改进措施,为空间索杆铰接式伸展臂的展开可靠性分析提供了依据.

空间伸展臂的技术现状与难点

空间伸展臂是一类最基本的空间可展开结构,是大型复杂空间结构的基础,对迅速发展的空间活动有着十分重要的研究意义。文章总结并介绍了不同结构形式空间伸展臂的研究与应用情况,根据各方面性能进行了较为全面的对比分析,并从力学、材料、空间环境影响、振动控制几方面深入分析了空间伸展臂设计和应用的技术难点,初步探讨了空间伸展臂的发展方向,从而为空间伸展臂的设计、选型和分析提供必要的支持。

正八面体单元空间伸展臂研究

空间伸展臂是广泛应用的航天结构．本文分析了正八面体单元伸展臂的构成原理；推导出展开过程的运动轨迹和滑动－转动单元的两种９×９刚度矩阵；建立了在预应力和外载下的受力分析模型．本文中介绍并分析了４４００ｍｍ高馈源支撑架结构方案．

一种空间伸展臂锁定机构的可靠性分析

以空间索杆铰接式伸展臂的限位锁定机构为研究对象,在探究其组成及工作原理的基础上,对机构的错位锁定失效与初始运动条件进行了分析,构建了机构防错位锁定可靠性模型与运动功能可靠性模型.前者综合考虑尺寸、装配误差和构件变形对机构锁定功能的影响,用一次二阶矩法得到可靠性指标;后者结合具体的锁定过程,对滑销运动前、后两个阶段进行了可靠性分析.最后利用伸展臂结构的有关数据,计算出相应的可靠度.

空间机构的运动精度及可靠性分析

索杆铰接式伸展臂是由球铰、圆柱副连接杆件构成的空间机构。在探究其工作原理的基础上,对某一方向的输出运动进行了分析,构建了理想状态下的运动关系式。考虑尺寸及运动副误差的影响,用"有效长度"代替实际长度,建立可靠性简化模型。结合伸展臂尺寸,利用Matlab软件得到可靠性系数随转角变化的关系曲线,求得展开过程中可靠度的最小值。为空间机构可靠性计算提供参考,具有重要的工程应用价值。

基于遗传算法的空间伸展臂展开过程优化控制

针对空间伸展臂展开过程建立多体系统动力学模型,并以控制力为变量建立优化控制模型,通过最优控制力的选取,使空间伸展臂得以平稳、快速展开.为了避免基于梯度的优化方法在寻找最优控制力过程中大量复杂的灵敏度计算,采用遗传算法进行全局寻优.同时,优化迭代过程中动力学方程采用高阶变分数值积分方法求解,具有更高的稳定性.最后,以剪叉式空间伸展臂为例,利用遗传算法对其展开过程进行优化控制.

伸缩可控的杆状空间伸展机构研究

现存的大部分空间杆状伸展机构采用杆套杆式结构,其直径逐级递减,使得杆伸出长度受到限制,成形后的结构刚度不足,伸展收缩不可控,为此文中提出了一种伸缩可控的杆状空间伸展机构。该系统伸出杆采用螺旋管柱结构,杆伸展、收缩可控,杆的直径和刚度在伸展、收缩过程中不变。能带比较大的负载。控制伸出杆成形的机械系统结构简单、紧凑。以DSPTM320LF2407A为核心的BLDC数字控制系统实时性好,定位精度高。可用于低轨道卫星的重力梯度定位、展开天线及伸出臂,也可作为其它伸展机构的驱动臂来使用。

模块化空间折展机构研究现状与展望

模块化空间折展机构具有拓展灵活、通用性好、适应性强等特点,可满足长距离深空探测、长期在轨空间站建设和超广域卫星通信等重大航天工程对大型/超大型空间折展机构的需求,是一种新型关键的航天装备。针对应用需求,阐述了模块化空间折展机构领域的研究进展,重点介绍了伸展臂、太阳翼和空间可展开天线等3类折展机构中具有模块化特征的典型构型,分析了模块化空间折展机构的结构组成、展开原理、驱动方式及应用现状,从机构创新设计方法、地面微重力试验及仿真、空间在轨装配技术、空间在轨建造技术等4个方面,展望了模块化空间折展机构未来的发展方向,旨在为大型空间折展机构的研究和应用提供借鉴与参考。

薄壁管状空间伸展臂技术综述

介绍了可收拢管状伸展臂(STEM)和可盘卷管状伸展臂(CTM)这两类薄壁管状空间伸展臂的工作原理,并调研了国内外基于该类伸展臂的典型应用,如空间并联机构、可展天线、太阳帆展开机构等。总结分析了薄壁管伸展臂结构与机构设计、仿真分析与试验、成型工艺等关键技术,并对我国在该技术领域的发展提出了开展新型展开机构研究、开展全面地仿真分析与试验、开展薄壁管基材研究、开展成型工艺研究等建议。

基于双层可展单元的空间伸展臂设计与分析

空间伸展臂广泛应用于航空航天领域。现有空间伸展臂的可展单元构型设计相对单一,所以提出了一种基于双层可展单元的空间伸展臂,设计制造空间伸展臂实物样机。通过多项式响应面法,建立起双层可展单元的基频代理模型。分析单元基频、折展比与单元基本结构参数之间的关系,得到了单元基频图谱和折展比图谱。通过Simscape进行伸展臂展开运动仿真,得到了伸展臂展开过程的运动特性和驱动特性,并通过伸展臂的地面展开试验进行验证。通过ANSYS进行伸展臂展开后的模态仿真和拉压、弯曲、扭转载荷下的静力学仿真,发现侧面拉索可以有效提升伸展臂的基频和静力学刚度。

Finite element analysis of shape-memory polymer mast

Space masts are widely used in the aerospace engineering as one type of deployable space structures.In this paper,based on the stimuli-responsive effects of shape-memory polymers(SMPs),an intelligent mast with shape-memory function is studied.The thermos-mechanical constitutive model of SMPs is associated with the finite element(FE)software,and then the deployable deformation and shape-memory effect of the intelligent mast are investigated by the FE method.It is demonstrated that the mast can automatically deploy due to the shape recovery characteristics of SMPs.Furthermore,the effects of structure parametric of the mast and temperature are also investigated.The results can contribute to the design and application of novel SMP masts.