大型履带式起重机空中组对接杆技术的应用

在石化装置检修施工期间,由于施工场地受限,大型履带式起重机(或称履带吊)的臂杆无法在地面上完成组对接杆作业。在确保安全的前提下,利用空中组对接杆技术,实现其在有限的场地内组对接杆作业以达到设备吊装所需的臂杆长度。本文以某装置检修为例,介绍履带式起重机空中组对接杆工艺,为后续在有限场地内进行履带式起重机组对接杆作业提供参考借鉴。

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。

弹性杆盘绕折叠的力学分析

以可伸展空间结构元件的盘绕折叠过程为工程背景,分析受圆柱面单面约束的弹性直杆变形为螺旋杆,最终压缩为叠放的平面圆环的变形过程。对此空间大变形的分析不允许利用小变形假设进行简化。由于约束力的存在,也不能直接利用忽略分布力的Kirchhoff弹性杆方程。本文以表述截面姿态的欧拉角为变量,建立受圆柱面约束弹性杆平衡的非线性方程。利用方程的初积分计算杆截面的内力和力矩。忽略盘绕过程的惯性效应,将参数连续改变的螺旋线状态作为杆盘绕过程中的准平衡状态。导出为实现盘绕过程需要施加的轴向压力和扭矩随螺旋角的变化规律。根据一次近似稳定性理论分析得出:两端铰支弹性杆当相对扭率为零时不能保证螺旋线平衡的稳定性。若杆端支承允许存在相对扭转,则轴向压力和扭矩按文中确定的规律变化时可以保证盘绕过程的稳定性。

受圆柱面约束螺旋杆伸展为直杆的动力学分析

以大型空间结构的可伸展机械臂从折叠状态被释放的伸展过程为工程背景,分析受圆柱面单面约束的弹性螺旋杆在惯性力作用下恢复为直杆的动力学过程.对弹性杆空间大变形的分析不允许利用小变形假设进行简化.Kirchhoff动力学比拟理论是研究细长弹性杆超大变形的有效工具.但由于圆柱面约束的存在,不能直接利用无分布力的Kirchhoff模型,而必须在方程中增加分布的约束力.以表述截面姿态的欧拉角为变量,建立受圆柱面约束弹性杆的动力学方程.在圆柱面约束条件下,认为弹性杆在伸展过程中仍维持半径不变的螺旋线形态,仅螺旋线倾角和杆的扭率随时间变化.对简化后的非线性微分方程导出解析积分,以描述伸展运动的动力学过程,导出螺旋杆伸展速度的变化规律,以及从初始状态伸展为直杆所需时间的简明的解析形式计算公式.

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．

SPORT卫星构型方案设计

根据SPORT卫星有效载荷探测的需求,结合卫星总体设计及构型布局设计原则,在运载对卫星构型布局约束条件下,针对天线单元的两种探测形式,给出了两种卫星构型设计方案.其目的在于为有效载荷在星上的布局提供可视化平台,确定有效载荷在星上的位置和方向,避免有效载荷间的位置干涉和相互遮挡,观察有效载荷的工作空间,初步确定科学目标实现的方式,为卫星平台的结构方案设计提供依据.经探测任务初级系统的可行性论证,两种方案均可满足SPORT卫星有效载荷探测的需求.

空间伸展臂由力螺旋控制的弹性盘绕折叠

用Kirchhoff方程研究弹性杆组成的空间伸展臂在力螺旋作用下的弹性盘绕折叠问题,为其结构设计提供参考依据。给出了螺旋状平衡时横截面上的内力及其杆端的力边界条件,得到了分布约束力的集度。指出了杆的端部约束为球铰或柱铰时对螺旋状平衡的影响,导出了零约束力集度下的力螺旋与螺旋角的关系,绘制了曲线,进行了数值分析。

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.

空间桁架法计算桅杆的整体稳定

本文用空间桁架位移法计算桅杆的整体稳定。计算中考虑了结构在大位移情况下的几何非线性,从而得到了较为精确的解。将精确解的结果与习用的铰链法和平均参数法加以比较,得出了对实际设计工作有益的结论。

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。

桁架式支撑臂模态分析与振动主动控制研究

建立了一维大型空间可展开桁架式支撑臂的动力学模型,计算了支撑臂各阶模态的频率和振型,以及在各阶模态下的杆件模态应变能。基于杆件模态应变能对压电陶瓷作动杆的位置进行了优化设计。基于独立模态空间方法运用二次型最优控制理论,对支撑臂进行振动主动控制研究。对含有主动构件的空间桁架式支撑臂的振动主动控制进行了仿真,比较了控制前后支撑臂振动幅值的变化。仿真结果表明,该控制策略具有较好的振动控制效果。

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.

桅杆结构静力分析简化计算方法

通过整体分析，推导出空间单索在任意荷载作用下的静力计算公式和空间索单元的非线性刚度方程．在此基础上，给出桅杆结构静力分析简化计算的非线性方程式．

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.

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。