Design and Experiment of Triangular Prism Mast with Tape-Spring Hyperelastic Hinges

Because of the limited space of the launch rockets, deployable mechanisms are always used to solve the phenomenon. One dimensional deployable mast can deploy and support antenna, solar sail and space optical camera. Tape-spring hyperelastic hinges can be folded and extended into a rod like configuration. It utilizes the strain energy to realize self-deploying and drive the other structures. One kind of triangular prism mast with tape-spring hyperelastic hinges is proposed and developed. Stretching and compression stiffness theoretical model are established with considering the tape-spring hyperelastic hinges based on static theory. The finite element model of ten-module triangular prism mast is set up by ABAQUS with the tape-spring hyperelastic hinge and parameter study is performed to investigate the influence of thickness, section angle and radius. Two-module TPM is processed and tested the compression stiffness by the laser displacement sensor, deploying repeat accuracy by the high speed camera, modal shape and fundamental frequency at cantilever position by LMS multi-channel vibration test and analysis system, which are used to verify precision of the theoretical and finite element models of ten-module triangular prism mast with the tape-spring hyperelastic hinges. This research proposes an innovative one dimensional triangular prism with tape-spring hyperelastic hinge which has great application value to the space deployable mechanisms.

基于折纸的大型空间薄膜遮阳结构设计与分析

提出了一种轻质、展开顺畅、收纳比高且不需要额外驱动动力的新型自展开薄膜遮阳结构。利用4根等长的带状弹簧驱动叶内环绕折叠的聚酰亚胺薄膜,并计算了收纳比。为了防止薄膜在展开过程中出现钩挂和破损的问题,对薄膜展开的轨迹、薄膜的应力分布以及带状弹簧骨架的模态分布进行了有限元仿真,并制作了测试样机以验证设计的可行性。结果显示,利用带状弹簧驱动薄膜展开,展开过程顺利,带状弹簧展开时的冲击不会造成薄膜损伤,薄膜折痕处的最大应力约为42.3 MPa,低于材料的许用应力,且收纳比达到了69.4。

九宫格超弹太阳池阵列折展性能仿真与优化

弹性铰链是一种自驱动柔性机构。其只依赖折叠时储存的弹性能量,并在展开时自然释放,不需要部署外部能源。弹性铰链具有重复性高、精度高、轻质、能耗低等优点,因而被广泛应用于航天领域。文章针对不同组合形式弹性铰链展开状态的稳定性问题,基于压杆稳定理论,建立对向单层弹性铰链的峰值力矩模型,分析其屈曲失稳情况,进而有效估计出空间折展机构抵抗外界载荷的能力。采用ABAQUS建立弹性铰链的有限元模型,以此来准确描述其折展特性。利用全因子实验设计方法对样本点进行实验规划,进而建立可描述铰链折展特性的数学代理模型,并以簧片间距离及中心角为变量对弹性铰链进行优化设计,得到使弹性铰链机构具有较大弯曲力矩以及较小最大收展应力的最佳结构参数为中心角76°,簧片间距离S_(e)为16.2mm。

单簧片折叠过程中的力学性能及参数影响分析

采用有限元分析软件ABAQUS对单簧片的折叠过程进行了数值模拟分析,研究了单簧片正反向折叠过程中临界弯矩、稳态弯矩、最大应变能的变化规律,并利用临界弯矩、稳态弯矩、最大应变能等参数作为簧片驱动能力和抗干扰能力的参数指标,研究了截面圆心角和长度对单簧片驱动能力和抗干扰能力的影响.结果表明:随着截面圆心角的增加,簧片驱动能力和抗干扰能力都呈现增强趋势,随簧片长度的增加,其驱动能力和抗干扰能力会有所下降.该研究对于提高空间展开结构的运动精度以及可靠性具有一定的参考价值.

空间可展结构卷尺铰链的设计与分析

卷尺弹簧是形状类似钢卷尺的一种构件,是一种单层开口柱面壳。可以利用其壳体屈曲性能,设计和研制出一种铰链结构。这种铰链结构具有独特的力学性能,它可以利用折叠时积聚的弹性应变能实现结构的自动展开而不需要其它的动力装置;在展开之后,又能够靠自身的刚度提供大型可展结构所需的锁定力,而不需要另外加设锁定装置。这种铰链可用于大型航天可展结构中,如可展的太阳翼等。

基于粘性胶带的缠绕捆扎机构设计

针对一种新型胶带捆扎机构,分析了其对柔性塑料袋的缠绕捆扎过程;引入断裂力学概念,基于断裂能量释放机理,建立了胶带剥离的力学模型;研究了胶带剥离速度与剥离力关系,得到了实现胶带缠绕捆扎所需的最小驱动力;最后,对弹簧支座位置进行了优化,使捆扎机构在最小驱动力条件下,能够实现对成束后塑料袋的捆扎。

基于TRIZ与可拓学的半自动手推叉车设计

针对产品设计过程中存在的问题,将TRIZ与可拓学结合,提出一种TRIZ与可拓学交叉融合求解方法:利用可拓学简化问题、提取矛盾、拓展原理,采用TRIZ理论获得矛盾的原理解决方案、可拓模型拓展,最后应用可拓优度评价求解方案.进一步利用这种交叉融合方法求解实际问题:对于现有叉车中液压升降机构液压油泄露和效率偏低的问题,提出基于卷簧片的半自动手推叉车设计方案,对于卷簧片升降机构中存在的问题,提出倒圆加强板提高强度,并进行了升降机构的实验验证.

敏捷卫星高刚度太阳翼的设计与验证

基于对国内外敏捷卫星带辅助支撑式太阳翼现状及存在问题的分析,开展了太阳翼的构型设计与布局优化,设计一种基于带簧铰链与自适应锁定式铰链的单臂支撑式高刚度太阳翼。利用支撑臂中部带簧铰链在弯折后形态可变的特性,解决了多连杆闭环机构收拢状态下的杆长匹配问题;利用太阳翼根部自适应锁定式铰链可自动调节锁定状态的特性,解决了展开末了过约束锁定的技术难题,实现了带辅助支撑式太阳翼根部铰链的可靠锁定功能。开展太阳翼展开静力矩裕度分析、模态分析和展开动力学分析,结果表明,太阳翼展开力矩裕度大于1,展开状态下基频大于8 Hz,展开过程顺畅无死点,展开末了冲击力不超过750 N。开展了太阳翼地面试验验证和在轨飞行验证,结果表明,该高刚度太阳翼满足敏捷卫星在轨长时间快速机动的使用要求。

基于带状弹簧的空间望远镜自展开机构设计

为了充分减小空间望远镜发射的质量和体积,适应微小卫星的运载需求,针对某光学系统设计了一种基于带状弹簧的新型空间望远镜自展开机构。首先,根据理论分析确定了所用带状弹簧的几何尺寸,并针对某空间光学系统设计了一种基于带状弹簧的新型展开机构;其次,建立了该展开机构的有限元模型并分析了其展开后的特性;最后,搭建了原理样机并对其进行了实验研究。实验结果表明:该展开机构展开后的高度为500 mm,展开后的重复精度误差小于0.1 mm,偏心小于0.1 mm,且展开后的一阶自然频率为35.5 Hz,与有限元分析出的结果相符,其误差为5.3%,能够满足空间望远镜展开机构的结构简单、质量轻、稳定可靠、精度高等要求。

空间可展结构卷尺弹簧纯弯曲过程中的屈服控制

卷尺弹簧是形状类似钢卷尺的一种构件,拥有单层开口柱面壳的结构形式.可以利用其壳体屈曲性能,设计和研制出一种铰链结构.这种铰链结构具有独特的力学性能,它可以利用折叠时积聚的弹性应变能实现结构的自动展开而不需要其它的动力装置;在展开之后,又能够靠自身的刚度提供大型可展结构所需的锁定力,而不需要另外加设锁定装置.这种铰链在大型航天可展结构(如可展的太阳翼)中具有一定的应用前景.纯弯屈服是其应用之前必须解决的问题.

考虑横向曲率的超弹性铰链纯弯曲非线性力学建模与实验

超弹性铰链依靠自身大挠度弹性折叠存储的弹性势能实现弹性展开,在卫星天线、太阳翼和空间探测任务中具有重要应用价值。基于Calladine壳体理论和冯卡门薄板大挠度理论,提出了纯弯曲状态下各项同性材料超弹性铰链的总应变能解析模型。该模型综合纵向拉伸、纵向弯曲和横向弯曲曲率的影响,并利用最小势能原理推导出非线性弯曲力矩;通过数值研究分析几何参数对峰值力矩的影响,搭建试验平台验证解析模型的准确性;加工12种不同曲率半径、厚度和中心角的镍钛合金超弹性铰链样件;通过试验测量出每个样件在同向和反向弯曲准静态折叠时的峰值力矩,验证了理论模型的准确性。该研究可以用来分析和测试其它类似薄壁超弹性铰链在纯弯曲状态下的峰值力矩,对于设计超弹性铰链具有重大意义。

基于Python的Abaqus二次开发在空间可展单簧片结构仿真分析中的应用

针对不同型号簧片结构分析需重复进行建模和网格划分等工作的问题,基于Python对Abaqus的前后处理模块进行二次开发.通过增设特定的窗口和命令,形成专门针对空间可展单簧片结构分析的仿真模块和后处理程序.建立一套由几何参数和材料参数直接生成模型,可进行空间可展单簧片结构弯曲过程力学性能分析的系统.该系统为用户提供简单、快速的建模途径和自动化的后处理功能,使得空间可展单簧片结构的力学性能分析变得更加高效.

双层超弹性铰链展开冲击分析与优化

超弹性铰链依靠自身大挠度弹性折叠存储的弹性势能实现弹性展开,集驱动、旋转和锁定于一体。研究了双层超弹性铰链展开冲击性能,提出了降低双层超弹性铰链展开冲击优化方法。为了确保有限元模型的准确性,搭建实验平台对双层超弹性铰链进行动力学展开性能测试,基于实验结果对有限元模型进行修正。采用正交法试验设计建立展开冲击特性代理模型。以展开冲击角度和锁定时间最小为目标函数,采用改进的非支配遗传算法对双层超弹性铰链进行参数化优化设计,得到最优结构尺寸。对最优结构尺寸进行有限元展开分析,误差不大于5.008%,表明代理模型准确性。最优非等厚度与等厚度双层超弹性铰链对比,发现前者冲击角度和锁定时间分别降低52.154%和29.104%,优化后结构的冲击得到明显改善。通过参数研究发现,展开冲击对外侧带簧厚度较为敏感,锁定时间随带簧厚度增加表现出先减少后增大的趋势。

层合复合材料簧片单元弯曲力学性能

为提高空间可展铰链的运行稳定性和可靠性,减轻结构质量,研究了碳纤维增强层合复合材料簧片单元的弯曲性能.以衡量簧片驱动能力的应变能、稳态弯矩以及簧片自锁能力的屈曲临界弯矩为力学性能指标.分析了可折叠自展开的簧片单元在弯曲折叠过程中,复合材料铺层角度、铺层厚度和簧片截面半径对各性能指标的影响.研究结果表明:随着复合材料铺层角度的增加,簧片驱动能力增强,但其自锁能力基本不变;随着复合材料铺层厚度和截面半径的增加,簧片的驱动能力和自锁能力均增强;随着材料铺层角度、截面半径的增加,簧片的横截面出现截面变形现象且伴随微小回弹.研究结果对于空间簧片式铰链驱动性能的改进具有一定的参考价值.

变截面板簧的特征与三辊模板式轧机的研制

介绍了变截面汽车板簧的成形原理 ,分析了伺服成形、仿型成形及辊锻成形的特点。根据仿型成形的原理 ,设计了一种适合中小企业技术特征、专门用于生产变截面汽车板簧的三辊模板式轧机 ,经过生产实践验证 ,运行良好 ,满足板簧产品生产需要。

带状簧片弯曲折叠力学性能敏感性分析

针对空间可展的金属带状簧片弯曲折叠时的弯矩和应变能响应,引进主次因素度分析、Sobol敏感性理论,对簧片的力学性能受自身几何参数影响进行了敏感性分析,并采用Isight软件的数值方法进行了结果验证.综合比较了几何参数对力学性能指标的影响程度,总结了主次因素度分析、Sobol敏感性理论和数值计算3种方法的优缺点.研究结果为指导实际簧片结构设计和参数优化设计提供了一定的参考和依据.

考虑黏弹性的簧片单元力学性能分析

为提高空间可展簧片铰链的运行稳定性和可靠性,研究了材料黏弹性对其弯曲折叠过程中的应变能、临界弯矩和稳态弯矩的影响.利用广义Maxwell黏弹性模型建立了考虑黏弹性的簧片单元力学模型,采用数值模拟方法探究了外界温度、折叠速率、Prony常数、松弛时间对簧片单元应变能、临界弯矩和稳态弯矩的影响规律.结果表明:在折叠过程中,随着Prony常数,松弛时间和折叠速度的减小,簧片单元应变能、临界弯矩和稳态弯矩均有所减小.随着温度的增加,簧片单元应变能、临界弯矩和稳态弯矩均呈现不同程度的减小.在装载过程中,簧片单元的稳态弯矩和应变能随着装载时间的增加而减小并趋于稳定.本研究对于提高空间可展结构的设计可靠性提供了一定的依据.

空间铰链用卷尺弹簧弯曲过程的有限元分析

卷尺弹簧铰链以其质量轻、展开可靠性高以及自动锁定等诸多优点在空间展开机构中得到日益广泛的应用。文中以单根卷尺弹簧为例,研究了弹簧正向折叠和反向折叠的弯曲过程,分析了厚度和横截面圆心角对应变能和稳态弯矩的影响规律。其次研究了展开过程中的弯矩变化,定义了冲击比。最后讨论了正反折叠情况下厚度和截面圆心角对冲击比的影响。

基于带状弹簧的空间望远镜精密展开技术进展

采用带状弹簧构造的可折叠多杆并联结构对卡塞格林型望远镜的次镜进行支撑,并结合在轨调节,可以实现口径<1m的可展开空间望远镜。描述了基于带状弹簧的可展开空间望远镜的结构特点,介绍了近年来发表的四杆支撑、八杆支撑、三杆支撑和六杆支撑等4种基于带状弹簧的空间望远镜精密展开技术的研究进展。建议针对带状弹簧空间望远镜的精密展开技术,应进一步开展结构动力学建模、结构优化以及误差的光电测量和校正等方面的研究。此外,在模拟微重力环境下展开实验也有助于推动展开动力学和展开精度的研究,而非对称展开结构将是今后该项技术的研究方向之一。认为开展基于带状弹簧的空间望远镜精密展开技术的研究将促进基于微小卫星平台的高分辨率遥感成像和自由空间光通信技术的发展。

滴灌带间距和灌水定额对春小麦产量和水分利用效率的影响

为了探究春小麦合适的滴灌灌水定额和滴灌带间距组合,2015年3—7月进行了春小麦大田试验,研究3种滴灌带间距(D1:60 cm、D2:90 cm、D3:120 cm)和3种灌水定额(I1:35 mm、I2:45 mm、I3:55 mm)对西北旱区春小麦产量和水分利用效率的影响。试验结果表明:产量最高的处理为D1I2达到8964 kg/hm^2。当滴灌带间距为60 cm和90 cm时,灌水定额从35 mm增加至45 mm时产量显著增加,灌水定额达到55 mm时产量分别下降9.5%和2.2%。灌水定额为35 mm和45 mm时,滴灌带间距60 cm的处理产量显著高于滴灌带间距120 cm的处理;灌水定额增加到55 mm时,3个滴灌带间距处理产量无显著差异。水分利用效率在1.57~2.11 kg/m^3间变化,最高的为D2I2处理。综合考虑产量、灌水量、水分利用效率和滴灌带投入,D2I2处理是该地区最优的滴灌带间距和灌水定额组合。