筝形直线可展机构及其动力学分析

将筝形直线机构与剪叉机构结合,提出一种仅含转动副的筝形直线可展单元,并设计得到一种筝形直线可展机构。根据机构结构学分析理论,阐述了筝形直线可展机构的模块化组成原理,并将其分解为外部模块和中间模块,两种模块均由筝形直线可展单元构成;对单个的筝形直线可展机构进行运动学建模,结合其模块化组成原理,得到相邻模块间的运动学递推关系,并以此为基础,运用Lagrange方法建立筝形直线可展机构整体动力学模型;以6层可展机构为例,对其进行动力学数值计算和虚拟仿真,通过设置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,验证所建运动学和动力学模型的正确性和有效性。研究结果表明:当末端执行器的输出运动规律为正弦加速度曲线时,机构在整个运动过程中稳定性好,无冲击影响。     

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。     

被动输入过约束四面体可展天线机构动力学分析

建立了一种由3RR-3RRR四面体单元组成的被动输入过约束可展天线机构的动力学模型,分析了驱动元件(扭簧)的数量、刚度、初始压缩量对机构展开运动的影响。基于3RR-3RRR四面体单元组成的可展机构的结构特点和空间坐标变换关系建立了机构展开/收拢过程中各构件质心位置与机构展开角之间的关系,得到了各构件的速度解析表达式。根据机构自由度性质,将机构展开/收拢过程中构件的运动分为平移运动、定轴转动、平面运动和复合运动四类。为便于建立3RR-3RRR四面体单元组成的被动输入过约束可展机构的动力学模型,进一步将构件的复合运动分解为平面运动和沿该平面法线方向的平移运动。基于拉格朗日法建立了单元可展机构3RR-3RRR和组合可展机构3(3RR-3RRR)-3RRR-3RRR的动力学模型,得到了机构中扭簧刚度与机构展开角之间的表达式,并讨论了扭簧刚度和数量对机构展开运动的影响。基于ADAMS仿真软件建立了3(3RR-3RRR)-3RRR-3RRR被动输入过约束可展机构的仿真模型,通过添加不同数量、不同刚度的扭簧对机构进行了动力学仿真分析,并讨论了扭簧初始压缩量对机构展开运动的影响,仿真结果验证了理论分析...     

平面二维移动可展机构动力学分析

提出一种新的仅含转动副的平面二维移动可展单元,经模块化组合与扩展后,构造出一种平面二维移动可展机构,该机构的执行构件可实现工作平面内的二维移动。在简述机构结构原理的基础上,分别对机构的运动学、动力学进行分析;最后,以三层平面二维移动可展机构为例,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。仿真结果表明:牛顿欧拉方法可对构件数量庞大但通过模块化叠加而形成的可展机构进行动力学建模,在求解机构运动或所需驱动力的基础上,还可求解得到全部运动副处的约束反力,从而提高其在移动可展机构中应用的可行性。     

卫星可折展空间碎片防护机构动力学分析

针对传统 Whipple 防护结构占用空间大、质量较大、防护覆盖面积小,且充气防护结构重复利用性差、可靠性低等缺陷,设计了一种卫星可折展空间碎片防护机构。根据可折展铰链运动规律,结合 D-H 法对防护机构进行展开运动学分析;在此基础上,借助 Lagrange 动力学方程建立防护机构动力学模型;最后基于 ADAMS 建立仿真模型,将理论模型计算结果与仿真数值对比结合分析,验证了动力学模型的正确性,并对运动规律进行改进,提高了机构运动效率。     

基于两杆张拉整体结构的可展机构设计

根据平面两杆张拉整体结构的特点,建立了可展机构单元的结构简化模型.在此基础上,以简化的平面两杆张拉整体结构作为可展单元提出了一种可展机构.利用最小势能法对两杆张拉整体结构进行找形分析,给出了可展单元中的几何尺寸关系.对确定尺寸的可展机构进行运动学分析,通过ADAMS仿真软件对可展机构进行运动学仿真,将理论计算与仿真结构进行对比,以验证结构的合理性.最后,设计制造了可展机构模型,并进行实物展开实验,验证了模型展开与收拢过程的有效性.     

基于FIS理论的Myard环形组网机构运动学分析

为揭示折展机构连续与瞬时运动的本质与代数关联,将有限瞬时旋量理论(FIS理论)应用于一类过约束折展机构的分析中,提出包括折展单元及其组网机构的运动学分析方法。首先介绍了FIS理论的基本原理、Myard机构和Myard环形组网机构的组成原理。其次对于Myard机构,通过选定合适的初始位形,以构建有限旋量闭环方程的方式解决了折展单元的关节运动参数映射,基于旋量三角积与螺旋运动的定义提出了基于有限旋量的轨迹求解方法,随后由有限与瞬时旋量的微分映射关系得到Myard机构的速度模型。在此基础上,结合参数化的等效广义副将3-Myard环形组网机构简化为单闭环机构,以求解机构的参数映射关系,随后借助与Myard机构相同的分析流程便得到组网机构的位移与速度模型。提出折展单元及其环形组网机构的关节参数映射、运动轨迹和速度模型的分析方法,丰富了折展机构的运动学分析理论,为解决折展单元及其组网机构的运动学分析问题提供了新选择。     

基于直线驱动的空间可展机构运动分析

将直线机构与折纸机构相结合,设计出一种新型空间可展机构,并对其进行运动分析。运用抽象思维将筝形纸板的四条边线抽象为构件,将相邻边线间的拐点抽象为转动副,提出一种二自由度筝形七杆机构,采用几何证明的方式,对机构执行构件实现直线运动的条件进行研究,结合运动支链为末端执行构件提供约束的本质,通过引入平行约束的方式,设计得到多种单自由度筝形直线机构。以筝形直线机构为基础构造可展单元,阐述模块化组成筝形直线可展机构的原理和过程。根据三浦折纸机构的运动几何特性和面对称性,在运动学分析的基础上,提出一种通过改变对称面上共线等距点的间距来实现机构折展的驱动方式,经由筝形直线可展机构予以实现后,建立整体空间可展机构的虚拟样机模型,研究机构的运动干涉问题及其影响因素,绘制折展率性能图谱,得到了该空间可展机构的折展率随着板厚h的减小和切除长度c的增大而增大的结论,为机构的结构设计和工程应用提供参考依据。     

环状可展机构运动学分析方法及应用研究

将Moore_Penrose广义逆理论与空间连杆机构的运动传递矩阵相结合,提出了一种多杆可展机构的运动学分析方法,利用Gan和Pellegrino方法得到了机构的运动约束方程以及约束方程的雅可比矩阵,依据雅可比矩阵的奇异性和欠秩特性,获得了机构运动参数的最小二乘解。以四杆可展机构为算例,揭示了构件的截面夹角对机构收拢角和展开角的影响规律,并获得了展开运动过程中构件间夹角的变化曲线,为环状可展机构的运动控制奠定了基础。     

球面剪叉可展机构的运动特性分析

为揭示任意个球面剪叉单元构成的球面可展机构的运动特性,研究这类机构的自由度特性和运动分析方法。基于螺旋理论分析球面剪叉单元及其串联运动链、多支链构成的球面可展机构的自由度特性,得出由球面剪叉单元构成的球面剪叉可展机构的自由度特性,据此构造出任意个球面剪叉单元和任意个支链构成的自由度为1的球面可展机构。基于球面几何理论,对两个球面剪叉单元串联的球面可展机构进行运动分析,并对任意m个球面剪叉单元串联的球面可展机构进行运动分析,在此基础上分析n个支链的球面剪叉可展机构的运动特性。建立球面剪叉可展机构这类机构通用的运动分析方法,并给出运动分析的数字实例,证明了该方法的有效性。编制能满足任意个球面剪叉单元构成的球面可展机构的运动分析软件,实现了对这类机构运动的自动分析计算,具有工程应用的实际意义。     

Mobility analysis of the deployable structure of SLE based on screw theory

Scissor-like element has a number of applications in deployable structures such as planar deployable structure (PDS) and ring deployable structure(RDS). However, the mobility analysis of the multi-loop deployable structures is made more difficulty by the traditional mobility formula, because the deployable structure is a very complex structure with multi-loop. Therefore, On the basis of screw theory, the calculation method of mobility of deployable structures of SLE is thoroughly discussed. In order to investigate the mobility, decomposing and composing structures(DCS) are developed, and the basic units are able to be obtained. On the basis of the deployable structures’ geometrical characteristics, there exists a closed-loop quadrilateral structure and some non-closed-loop quadrilateral structures in PDS. Also, a six legs parallel structure is present in RDS. The basic units’ mobility can be solved by both the methods of screw theory and topology constraint graphs. Then, composing the related basic units, the formula of planar deployable structures’ mobility can be built and solves the mobility of ring deployable structure. The analysis method solves the mobility analysis of the multi-loop deployable structures which is difficulty by the traditional method, and plays an important role in further research about the mobility of other complex deployable structures.     

A New Flexible Multibody Dynamics Analysis Methodology of Deployable Structures with Scissor-Like Elements

There are vast constraint equations in conventional dynamics analysis of deployable structures,which lead to differential-algebraic equations(DAEs) solved hard.To reduce the difficulty of solving and the amount of equations,a new flexible multibody dynamics analysis methodology of deployable structures with scissor-like elements(SLEs) is presented.Firstly,a precise model of a flexible bar of SLE is established by the higher order shear deformable beam element based on the absolute nodal coordinate formulation(ANCF),and the master/slave freedom method is used to obtain the dynamics equations of SLEs without constraint equations.Secondly,according to features of deployable structures,the specification matrix method(SMM) is proposed to eliminate the constraint equations among SLEs in the frame of ANCF.With this method,the inner and the boundary nodal coordinates of element characteristic matrices can be separated simply and efficiently,especially on condition that there are vast nodal coordinates.So the element characteristic matrices can be added end to end circularly.Thus,the dynamic model of deployable structure reduces dimension and can be assembled without any constraint equation.Next,a new iteration procedure for the generalized-a algorithm is presented to solve the ordinary differential equations(ODEs) of deployable structure.Finally,the proposed methodology is used to analyze the flexible multi-body dynamics of a planar linear array deployable structure based on three scissor-like elements.The simulation results show that flexibility has a significant influence on the deployment motion of the deployable structure.The proposed methodology indeed reduce the difficulty of solving and the amount of equations by eliminating redundant degrees of freedom and the constraint equations in scissor-like elements and among scissor-like elements.     

活塞式水下力传感器压力平衡装置力学特性分析

以深海活塞式力传感器为研究对象,基于液体的可压缩性,推导出活塞补偿器油液体积变化与仪器工作水深以及内外压差之间的关系式,并给出内外压差的计算方法。基于MATLAB软件对活塞式压力平衡装置进行静态和动态分析,以充油式深海压力传感器为例,推导出活塞的爬行现象与O形圈截面直径、预压缩率、摩擦因数、活塞质量之间的关系。研究结果表明,减小O形圈截面直径、预压缩率、摩擦因数、活塞质量均有助于改善爬行特性。总结了活塞式压力平衡装置结构的设计原则。     

可展开固体反射面机构设计及运动学分析

针对传统固体反射面机构主反射面型面精度和收拢率较低的问题,设计了一种可展开固体反射面机构。首先,提出4种固体反射面机构可展单元构型并对其机构自由度进行分析,对比分析构型方案优缺点确定构型方案4作为可展单元基础构型,并对其结构和展开原理进行详细设计。通过D-H坐标变换建立该机构可展单元的运动学模型,根据几何约束条件建立机构位置矢量方程,利用向量封闭投影法解出各回转角间的关系,结合MATLAB软件编程对机构的位置、速度和加速度进行分析。应用ADAMS软件建立机构仿真模型,验证了机构运动学分析的正确性。最后根据机构中回转角的限制条件和结构尺寸关系,分析回转角和结构尺寸对可展开固体反射面机构收拢率的影响,确定2.2m可展开固体反射面机构的回转角和旋转角分别为78°和30°,中心圆盘半径、铰支座一孔纵向尺寸、切换连杆横向尺寸、纵向尺寸分别为245,8,40,18mm,收拢率为0.326,从而为可展开固体反射面机构的设计提供参考。     

某车载固面可展开天线反射体结构建模与分析

某车载6.3 m口径固面可展开天线反射体由瓜瓣面板、背架、展开机构、底座和固定面支撑梁组成。根据不同结构与可展开机构部件的特点,建立了天线反射体有限元模型,开展了模态分析、自重载荷力学分析和风力载荷分析。仿真结果有效揭示了天线反射体模态与型面精度的变化情况,指出了可展开特性带来的反射体周向刚度较弱的问题,可为后续的结构设计与机构集成提供指导。     

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。     

基于预成形设计和分流技术的锻造螺旋锥齿轮工艺改进和试验

齿形充满不充分和成形载荷过大是螺旋锥齿轮锻造近净成形的主要问题。利用弹塑性有限元法模拟螺旋锥齿轮从动轮一火两锻的半闭式锻造过程,提出通过优化预成形件面锥形状以改善轮齿端角隅部位填充不满的现象,运用正交试验优化设计方法,确定预锻件高度、圆弧弦高、圆弧弦角以及圆弧高点离轮齿小端的距离4个工艺因素对轮齿充满程度和成形载荷的影响规律,选出最佳工艺因素组合。在此基础上提出在轮齿小端设计分流腔的模具结构,以进一步改善齿轮小端角隅充满不理想的现象,对比分析两种工艺方案的成形载荷的峰值,分流锻造成形载荷减小了22.45%。在25MN电动螺旋压力机上进行锻造试验。通过数值模拟和试验结果的对比分析,验证了新工艺方案的有效性。      

一种交变载荷下Galfenol力传感器结构与能量效率的优化策略

提出了一种新的面向交变载荷的力传感器测量结构,以Galfenol合金为敏感元件,将合金的两端加工成与锁紧结构配合的接口,可以对Galfenol棒进行挤压或者拉伸,通过检测材料磁化率变化引起的感应电动势可以确定外加交变负载的大小与方向。在传感器工作机理的基础上,提出了一种传感器能量利用效率优化策略,采用封闭结构对Galfenol合金力传感器磁路进行了设计与优化,分别采用二维和三维有限元方法,研究了开放式磁路结构和提出的新型结构在磁路分布以及能量利用效率上的特征。仿真和实验结果表明,所提出的新型传感器结构,不仅在结构上可以增强Galfenol合金中磁通密度分布的均匀性,同时可以大幅提升传感器的能量利用效率,其提升率超过50%,同时对所设计的传感器结构进行加载交变载荷试验,试验结果验证了传感器设计方案的可行性。     

星载柔性可展桁架结构的模态试验与分析

对于基频小于2Hz的小卫星柔性可展结构,因为普通的锤击测试法只能激发出柔性结构的局部模态,很难激发出整体模态。针对文中描述的小卫星柔性可展桁架结构,提出一种新颖的模态测试方法:采用绳索-柔性弹簧的重力卸载系统消除重力对模态的影响。利用绳索在19个花盘处同时进行重力卸载,并在吊索中部安装柔性弹簧避免对花盘产生附加刚度;将柔性可展结构分别置于水平、竖直两个方向进行模态试验,采用超低频激振系统进行激励,并利用激光位移传感器采集试验数据,提高了试验结果的准确性。试验结果表明:竖直悬吊方式更为准确,并将试验数据与有限元分析结果对比分析,结果显示两者较为接近,从而验证了试验方法的准确性。     

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。