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。     

空间可展开三棱柱伸展臂设计与优化

空间伸展臂作为空间折展机构中形式最丰富、研究最早、应用最广泛的一维空间折展机构,其主要作用是展开柔性太阳能帆板,支撑网状天线、合成孔径雷达、太空望远镜等。以三棱柱式伸展臂为研究对象,对伸展臂的展开方式和几何参数进行设计分析。基于几何非线性有限元理论,建立含空间桁架及预应力绳索的可展开伸展臂单元模型,然后建立含多可展开单元的大型伸展臂的几何非线性动力学模型。通过Matlab编程计算伸展臂的基频,得到影响伸展臂基频的关键因素,并以伸展臂的基频为优化目标,质量为约束条件,采用遗传算法对伸展臂进行优化设计。研制可展开三棱柱伸展臂样机,对伸展臂进行折展功能及参数优化设计验证试验。结果表明所设计的三棱柱伸展臂可顺利折展,所做的优化设计有效可行。通过该方法可以对特定任务需要的伸展臂进行优化设计,在满足约束条件的情况下,达到基频最高,对伸展臂的设计提供参考。     

新型四棱柱剪叉式机械臂的设计与分析

针对传统工业机器人手臂粗大、工作半径小、工作效率低等不足,提出一种新型四棱柱剪叉式机械臂,以代替工业机器人的上臂和下臂。新型四棱柱剪叉式机械臂的结构设计主要包含三个部分,即四棱柱剪叉式机构的设计、剪叉杆的设计以及传动机构的设计。对四棱柱剪叉式机构进行运动学理论研究,建立四棱柱剪叉式机构输入与输出之间的运动学模型,并对四棱柱剪叉式机械臂进行运动学仿真分析。仿真结果表明,四棱柱剪叉式机械臂对运动具有成倍放大作用,且可在工作半径大于2.2m,电机输入转速小于3000rpm时高效、平稳地运动。该新型四棱柱剪叉式机械臂的设计与分析为工业机器人的研究提供了一种新思路。     

复合剪叉式机械臂的结构设计与分析

设计的复合剪叉式机械臂是基于可展开机构运动原理完成的新型机械臂,相对于关节式机械臂,省去了关节结合处的电机及减速器,减少了机械臂运动过程中的惯性力。同时其本身具有运动单元模块化、适用性强、稳定性高等特点。为了使复合剪叉式机械臂获得合理的结构参数,利用虚功原理,对复合剪叉式机械臂进行力学建模、计算与分析,并对剪叉臂极限工作状态下的受力情况进行了有限元仿真分析,结果表明剪叉臂的受力变形特性满足工作要求。     

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。     

基于螺旋理论的三棱锥折展机构构型综合与组网

研究折展单元机构构型综合对于可展开天线机构创新设计具有重要意义。根据三棱锥折展单元机构多运动输出期望公共运动和期望同步运动自由度要求,基于螺旋理论约束综合法,完成机构公共运动和耦合同步运动支链的构型综合,获得了多种基本折展单元构型,并结合应用实际确定一种优选三棱锥折展单元机构。根据3RR-3RRR单元折展机构的组网方式和组网运动的要求,采用螺旋理论进行了运动副的构型设计和优化,综合出一种具有耦合自由度的高刚度三棱锥折展单元组网机构。所采用的构型综合方法实现了螺旋理论约束综合法在折展机构构型综合中的应用,为具有多运动输出部件耦合运动要求的机构综合研究提供参考。综合得到的机构适用于星载构架天线反射器等空间曲面支撑类机构应用需求,具有广泛的应用前景。     

基于空间多面体向心机构的伸展臂设计研究

空间多面体向心机构是一类特殊空间可展机构,这类机构一般成球形或多面体形状,具有高度的对称性,通过铰链关节运动可以实现多面体机构的展开/收拢运动.本文在其结构和运动特点分析的基础上,进一步提出一种新型六面体机构.该机构由4个4腿运动链和一个十字滑块机构组成.利用螺旋理论对这种机构作自由度和奇异性分析.将这种机构运用于伸展臂的设计中,提出一种新型同步展开/收拢伸展臂机构,该机构的自由度是1.对这种伸展臂机构的运动学和动力学进行研究,推导出了其运动学和动力学方程,这有助于此伸展臂的分析设计,最后将理论计算结果与ADAMS计算结果进行比较,验证了运动学和动力学方程的正确性.本文的研究成果在航天领域有较好的应用前景.     

新型剪叉式可伸缩可升降机构及其静刚度分析

将Hart直线机构和剪叉机构相结合,提出一种仅含转动副的直线可展单元结构模型,并以此为基础设计得到一种新型剪叉式可伸缩可升降机构,该机构可实现一维方向上的直线伸缩或升降运动。首先,阐述剪叉式可伸缩可升降机构的模块化组成原理,将机构的组成等效为底部模块、中部模块和顶部模块的顺序叠加,3种模块均由直线可展单元构成;其次,建立单个直线可展单元的运动学模型,结合机构的模块化组成原理,推导出任意模块间的运动学递推关系,并以此为基础构建多层模块条件下剪叉式可伸缩可升降机构的整体运动学模型,用以验证该型机构实现精确直线运动的正确性和有效性;最后,以3层2列剪叉式可伸缩可升降机构为例,对其进行静刚度虚拟仿真分析。结果表明,机构沿可伸缩方向具有较好的抵抗变形的能力。     

空间多臂机构折展性及其结构配置设计

为提高空间多臂机构折展特性和操作特性等运动性能,通过多臂机构与操作物体可组成并联机构拓扑形式的设计思想,提出了一类具有折展特性和多种操作能力的空间多臂机构。定义了用于叠放折展支链的区域及策略,提出了折展支链的延伸性判别条件。基于指定区域的尺度限制,设计了具有不同自由度且满足特定叠放要求的折展支链。其次,以拓扑形式分解的方法将操作物体的工作模式进行分解表达,给出了多臂机构的结构配置形式。结果表明,基于所提方法,空间多臂机构可通过与操作物体自主释放与组合,改变拓扑形式,实现兼具折展性能和多种操作模式的设计目标。     

空间双层过约束可展机构的设计与分析

折展机构以其优越的折展性能,广泛应用于航空航天以及建筑等领域。以基于等边Bennett机构拓展得到的6R机构与三重对称Bricard机构巧妙结合,得到了一种可折展的环状机构,建立了多种过约束机构的几何模型并改进了环状机构的理论模型。利用D-H参数法对改进组合机构进行了运动学分析,得到其运动特性。以可折展环状机构为基本组网单元搭建了大尺度单层空间折展机构;以拓展6R机构衍生的7R机构结合Sarrus机构设计了可折展的连接单元,与单层折展机构复合构建空间双层可展机构,并提出了空间多层折展机构的可能性。     

空间大型可展开天线展开机构设计与分析

空间环形可展开天线借助于贯穿在杆件中的绳索的收卷完成展开,为了能精确测定已收卷绳长,使绳长作为天线展开程度的有力判据,文中设计了一种带绳索排布管理的动力展开机构。该机构利用原有展开机构的动力源,经过齿轮变速箱传动,由凸轮机构将展开电机的单向转动转化为过绳滑块的往复运动,来引导绳索在卷绳轮上按照一定的规律整齐排布。动力学仿真分析和功能试验,均证明该机构可以在承受一定负载的情况下平稳运行,绳索排布的效果良好。     

螺旋盘绕式可展开天线动力学仿真分析

盘绕式展开机构具有构造简单、高刚性、高可靠性、高收纳率等特点,因而特别适用于小型探测臂、太阳帆板、天线展开机构等航天领域。某螺旋盘绕式可展开天线是一种典型的盘绕式展开机构。建立合理精确的螺旋盘绕式可展开天线的结构动力学模型,对掌握其动力学特性至关重要。文中运用温度梯度方法解决天线纵杆预紧力的问题。将交叉的两根斜拉杆简化为单根可拉压杆,以此处理斜拉杆在振动过程中的松弛问题。采用有限元方法分析了天线展开状态的模态、振型及加速度响应,并采用低量级正弦振动试验对仿真结果进行了验证。     

多环闭链可展机构尺寸调整方法

由于存在加工误差等因素,可展机构各连杆实际加工长度与理论计算长度往往不同,需要在装配时对其调整。多环闭链可展机构具有闭环多、环约束互相耦合、参数关系复杂等特点。为解决在尺寸调整时存在的高非线性、强耦合等问题,以均方根形式定义多环闭链机构的综合调整量,并以调整结构势能最小作为目标函数,推导出多环闭链可展机构尺寸调整的基本数学模型。根据实际调整方式,提出单向调整和双向调整两种计算模型。在此基础上,对多构态下多环闭链可展机构的尺寸调整方法进行研究。通过算例对上述方法和模型进行验证。结果表明,利用该方法得到的调整结果能满足可展机构多构态、多约束、多种调整方式的要求。研究成果有助于降低多环闭链可展机构的装配和加工难度。     

花瓣式可展天线的结构分析

针对一种多刚体空间机构——花瓣式可展天线的花瓣数、每个花瓣的刚板数和结构参数的关系进行了分析研究。首先,根据空间机构自由度的计算公式,对不同情况下机构的自由度进行了计算,确定了每个花瓣的刚板数。然后,利用折叠状态下各刚板的几何关系,对各刚板的宽度进行了分析。最后,计算了该可展结构折叠状态时的体积,再利用各结构参数与体积的关系,分析比较后得到了可展结构的花瓣数。通过分析确定了花瓣式可展天线的多个结构参数。     

舱门展收机构运动与结构参数优化设计

舱门展收机构是航天器的重要组成部分,其性能的优劣将直接关系到航天器舱门能否顺利展开与闭合、航天器能否顺利完成在轨任务。基于ADAMS软件的参数优化功能模块,对某舱门运动形式及展收机构的结构进行了优化设计,在满足舱门展开角度、展开位置、驱动力矩、展开后断电保持等优化要求下,对展收机构的位置布置及几何参数进行了优化设计,为改进舱门机构的结构设计提供了重要依据,具有较强的实用性及参考价值。     

空间可展机构弹性动力学特性研究

将多级剪刀机构与复式螺旋机构组合,提出了一种新型的径射状可展天线伸展机构。采用动力有限元法建立空间可展天线伸展机构的单支机构动力学模型,采用振型叠加法对该机构进行弹性动力学分析。分析后发现,各阶固有频率随展开角度的不断变大会发生交叉,得出了天线展开速度、结构参数对系统稳定性的影响规律。为研究可展机构振动稳定性条件提供必要的参考数据,并为该天线的伸展机构设计与结构参数优化提供了依据。     

空间伸展臂的根部锁紧机构研究

根据空间伸展臂的结构和功能,提出了一种双滑块伸缩连杆形式的锁紧结构,在伸展臂完全展开后实现对其根部的锁紧和定位,并结合伸展臂的结构和工作原理,对锁紧机构进行了设计。通过相关的的受力分析,确定了轴向增力结构的尺寸关系和锁紧滑块的锥角和导向长度。锁紧机构能够简单有效地完成空间伸展臂的锁紧和定位功能,相应的结构尺寸也为其功能的实现提供了进一步的保障。     

Review of Large Spacecraft Deployable Membrane Antenna Structures

The demand for large antennas in future space missions has increasingly stimulated the development of deployable membrane antenna structures owing to their light weight and small stowage volume. However, there is little literature providing a comprehensive review and comparison of different membrane antenna structures. Space-borne membrane antenna structures are mainly classified as either parabolic or planar membrane antenna structures. For parabolic membrane antenna structures, there are five deploying and forming methods, including inflation, inflation-rigidization, elastic ribs driven, Shape Memory Polymer (SMP)-inflation, and electrostatic forming. The development and detailed comparison of these five methods are presented. Then, properties of membrane materials (including polyester film and polyimide film) for parabolic membrane antennas are compared. Additionally, for planar membrane antenna structures, frame shapes have changed from circular to rectangular, and different tensioning systems have emerged successively, including single Miura–Natori, double, and multi-layer tensioning systems. Recent advances in structural configurations, tensioning system design, and dynamic analysis for planar membrane antenna structures are investigated. Finally, future trends for large space membrane antenna structures are pointed out and technical problems are proposed, including design and analysis of membrane structures, materials and processes, membrane packing, surface accuracy stability, and test and verification technology. Through a review of large deployable membrane antenna structures, guidance for space membrane-antenna research and applications is provided.     

可展收豆荚杆刚度及收展过程力学分析

大变形薄壁可展收复合材料结构由于其良好的力学性能和折展功能,适用于空间探测领域.针对空间豆荚杆可展收结构,开展了不同构型参数、不同铺层方式下的豆荚杆刚度及稳定性分析.通过悬臂豆荚杆的弯曲与扭转试验验证了数值模型的正确性.采用显式非线性分析方法,对豆荚杆盘卷收拢过程进行了准静态数值模拟.结果分析表明,豆荚杆截面半径越小,铺层厚度越厚,收拢过程的应力水平越大;盘卷的卷筒直径越小,收拢过程的应力水平越大.分析结果为空间可展收豆荚杆的设计提供了理论依据.     

精确直线可展机构及其动力学分析

将Hart直线机构和剪叉机构相结合,提出一种仅含转动副的直线可展单元,并设计得到一种精确直线可展机构。根据机构结构学分析理论,阐述可展机构的模块化组成原理,将机构的组成分解为底部模块、中部模块和顶部模块,3种模块均由直线可展单元构成;对单个直线可展单元进行运动学建模,结合机构的模块化组成原理,推导得到任意模块间的运动学递推关系,求解得到多层模块条件下机构的整体运动学模型,运用Lagrange方程构建机构的整体动力学模型;以3层可展机构为例,对其进行动力学数值计算和虚拟仿真,验证所建运动学和动力学模型的正确性和有效性。通过给定末端执行器的输出运动规律,求解得到机构所需的驱动力矩,结果表明：末端执行器为正弦加速度曲线时,机构在整个工作周期内无冲击,运动稳定性好。