柔性变胞机构的拓扑结构表示及构态变换分析

柔性变胞机构是变胞机构的一个新的研究方向,本文给出了柔性变胞机构的定义和柔性变胞机构的组成元素,并给出了柔性变胞机构的结构简图表示方法,提出了柔性变胞机构拓扑结构的邻接拓扑图和邻接矩阵的表示方法。对于柔性变胞机构的构态变换分析,本文提出了一种基于邻接矩阵的运算方法,并通过应用实例验证了该邻接矩阵运算方法对于柔性变胞机构构态变换分析是有效的和正确的。     

空间变胞机构运动及误差的全构态四元数模型

空间变胞机构的拓扑结构可变特性使得建立全构态模型是其运动及误差研究的一个难题,而现有欧拉参数运动模型中存在数学奇异和非奇异退化等问题,因此提出了采用罗德里格-哈密顿参数建立空间变胞机构的全构态模型。基于四元数理论建立了任意构态的运动模型,推导了相邻构态广义运动变量的递推关系。研究了结构误差、运动变量误差及运动副间隙对理想模型的扰动,构建了统一的范式表示机构的全构态四元数模型。通过典型实例的理论计算和仿真分析对比结果表明,所建模型的有效性,它既可分析空间变胞机构的全构态运动特性,也可研究构态变换前后的运动特性变化,为变胞机构的工程应用提供了理论基础。     

基于邻接图的变胞机构的矩阵描述及演算

邻接矩阵法可以对杆件的数目变化进行表示和演算,但这种方法对于变胞机构中复合铰链的构态变换及描述铰链的邻接关系变化的情况不完全适用,且矩阵所含信息较少,不能直观地反应机构构态特性. 为此,应用邻接图表示机构的拓扑结构,并提出了描述机构详细信息的铰链邻接矩阵,此矩阵可与初等变换矩阵构造变胞方程,从而实现机构从初始构态到任意构态的矩阵演算. 通过实例验证可得,基于邻接图的矩阵描述及演算方法获得的结果包含直观和全面的机构构态信息,便于计算机辅助分析.     

一个典型变胞机构的构态与运动学分析

以枪扳手机构作为一个典型的变胞机构，对其进行了构态分析和自由度计算，并进行了分类，建立了枪扳手机构两相邻构态之间运动学变量的递推关系，采用矢量法对其运动学进行了全面系统的分析，并进行了运动学仿真研究，仿真结果表明，变胞机构在构态变换时，系统将产生较大的冲击．     

基于变胞理论的大型桁架在轨建造技术

通过对比分析目前国内外桁架的构建方式,提出一种基于变胞理论的模块化桁架在轨装配新方法,并对装配流程进行初步设计.为进一步完善所提方法中变胞装配机构方案,针对大型桁架结构进行分析选择,确定桁架基本单元,并分析材料与桁架梁的长度对基频的影响.针对方案系统中的桁架单元模块与变胞装配机构进行概念设计与分析.该方法解决了构建大型...     

变胞机构结构变换的位移子群描述方法

为了对变胞机构的构态进行分析,提出了变胞机构结构变换的位移子群描述方法.给出了相邻和非相邻构件合并变胞的位移子群表示和计算方法以及变胞变换的位移子群矩阵表示和计算方法.提出了1个8-SSSS空间并联变胞机构,并将该并联变胞机构的结构变换过程采用位移子群和位移子群矩阵方法进行表示和计算,进一步验证了所提方法的正确性和有效性.新方法不但使变胞变换问题转换为位移子群的表示和计算问题,而且使变胞机构结构变换描述方法由拓扑结构拓展到了几何结构.     

多环闭链空间可展开机构力-热耦合协同优化

针对一种多环闭链空间可展开机构的力-热耦合设计问题,首先列写了展开单元机构的静力学平衡方程,完成了展开单元的静力学分析,进而根据虚功原理,求得机构在展开态下的转动刚度;然后综合考虑机构的力热性能,以杆件横截面尺寸为设计变量,以机构在太空环境下整个展开过程中的热变形小、重量轻、展开态下的基频高和转动刚度大作为优化目标,采用协同优化方法建立了多环闭链空间可展开机构协同优化的数学模型;通过数值求解,得到该机构所有杆件的横截面尺寸参数最优值．分析结果表明,优化后的机构热变形降低了约56％,展开态基频提高了约39％,展开单元的重量与转动刚度均满足设计指标．     

考虑杆件弹性和三维间隙铰机构动力学研究

为了能准确预测太空中可展机构的展开性能,在动力学模型中同时考虑杆件弹性和三维间隙铰的影响．间隙铰通过“T”字形杆件模拟,接触力采用非线性弹簧阻尼模型,分别考虑理想铰、三维间隙铰以及杆件弹性3种情况对可展桁架的一个单元进行展开过程数值仿真分析．设计了一个桁架单元装置,通过实验初步验证杆件弹性和间隙铰对机构动力学的非线性影响．分析结果表明间隙铰中存在径向和轴向碰撞接触力,轴向碰撞接触力影响桁架平面外稳定性,杆件弹性振动效应使能量发生转移,减小了最大碰撞接触力,加剧了轴套和销轴之间的碰撞接触次数．     

抬升裙楼巨型悬挑钢桁架支撑卸载分析

根据某抬升裙楼巨型悬挑钢桁架的高空原位拼装的安装方法,以及支撑卸载点多、分布范围广等实际情况,基于ANSYS有限元软件采用2种不同卸载方案对卸载过程进行了全程模拟计算。从支撑反力和桁架内力2方面进行对比分析,证明了对此抬升裙楼采用"从内到外"整体分阶段分步卸载是一种更为合理的卸载方案。     

固面天线可展开机构设计及动力学分析

为解决抛物面式固体反射面天线收拢率及主反射面形面精度较低问题,根据天线面板的运动形式,设计一种固面天线可展开机构.基于机构位置矢量方程,利用向量封闭投影法,结合D-H坐标变换矩阵建立可展机构拉格朗日动力学模型,用MATLAB编程求解机构运动过程驱动力并分析运动学参数对驱动力的影响;利用Workbench软件分析天线收拢和展开状态下基频及阵型,采用Design Exploration优化模块中响应面法分析结构参数对可展机构基频的影响和参数灵敏度;研制天线原理样机并进行展开功能试验和模态测试,对天线展开功能和结构动力学分析进行验证.结果表明:可展机构翻转比展开过程驱动力大很多,减小输入速度、调整球铰位置和减小初始夹角能降低机构翻转过程驱动力;收拢和展开状态下天线基频满足设计要求,支撑杆尺寸参数对可展机构基频影响比切换连杆大,但可增加切换连杆尺寸参数适当提高机构基频;可展机构可重复实现天线展开功能,展开状态下天线基频和阵型与分析结果接近,具备很好的结构动力学性能.     

换挡工况下湿式换挡离合器变胞机理

针对目前难以全面描述湿式换挡离合器变结构、非定常和非数值的变拓扑工作过程的问题,基于湿式换挡离合器工作特性的分析,定义摩擦对偶片各构态的约束函数,建立摩擦对偶片变胞器,提出湿式换挡离合器变胞的图形描述方法. 采用矩阵分析法,以约束函数为元素,推导离合器各构态的邻接矩阵,解析相邻构态转换时对应的变胞函数和变胞方程,构建湿式换挡离合器工作的变胞拓扑模型,揭示换挡离合器工作状态转换的变胞机理. 基于变胞机理分析,提出更直观和简便的离合器动力学建模方法,通过对比分析离合器转速变化规律的试验和仿真结果,表明该方法的准确性和可行性.     

双环可展桁架结构动力学分析与试验研究

基于广义逆矩阵方法分析双环可展桁架的运动过程,通过数值仿真,得出双环可展桁架在展开过程中的各个状态.经过对比分析可知,对于大口径天线,双环可展桁架的刚度可以比同口径单环可展桁架明显增加.利用上述仿真程序输出的几何模型,进一步对50m双环可展桁架原型建立有限元模型,并进行展开过程中各状态的振动模态分析.对2m天线试验样机采取悬挂法消除重力影响并进行振动模态试验,且将其与有限元计算结果对比,结果表明两者的频率较为接近,验证了有限元动力学分析的正确性.     

基于变胞机构原理的举升式舱门机构运动学建模与仿真

变胞机构的概念提出较晚,对其理论研究尚在不断完善。近些年变胞机构的原理逐渐应用到新型机构设计上来,迫切需要运用适用的理论分析方法。为满足国家大飞机发展需求,提出一种平面约束变胞举升舱门机构,结合机构运动简图对其进行原理描述和拓扑分析,以几何参数法建立约束变胞机构全构态运动学模型,并使用Adams仿真与理论分析比对,结果相吻合。相比于传统飞行器舱门举升机构,变胞举升舱门机构在安装空间限定的情况下,可以以较小的推力举升机构,减小了举升机构整体质量的同时减少了电能的消耗,该种机构具有极强的应用价值。     

变构型桁架式卫星平台结构设计与性能评价

为实现大型通信卫星内部有效载荷维修可达,根据传统卫星平台的框架结构和承力结构,设计了6种可重复变构型桁架式卫星平台构型.提出评价变构型卫星平台性能的主要指标,包括结构质量、惯量变化率、整流罩面积利用率、展开表面积比、展收状态下振动频率、设备布局影响和折展机构复杂度等.分析6种变构型桁架式卫星平台构型的上述性能指标,采用层析分析法得到各个性能指标的权重,基于模糊综合评价法优选出综合性能较佳的构型.根据空间机构多闭环自由度计算公式计算出优选构型折展机构自由度为1,该折展机构具有唯一确定的运动.完成了优选构型的结构设计,并制作3D打印模型演示了变构型过程,卫星平台原理上可实现可重复变构型的功能.     

柔性变胞机构中的混沌现象研究

柔性变胞机构由于其特殊的结构和运动形式,其动力学方程具有很强的非线性,将有可能导致运动呈现混沌现象.依据变胞机构全构态动力学模型,研究了双柔性机械臂动力学中的混沌现象.根据计算得到的Lyapunov指数及机构的相图,验证了柔性变胞机构中存在混沌现象.     

智能桁架振动控制中主动杆件多目标最优配置

在智能桁架机构机电耦合静／动力分析模型基础上,给出结构系统压电元件对变形的检测方程,并分析系统动态特性,除位移模态外,得到了系统电势模态。进一步采用独立模态空间控制方法对结构振动进行控制,并进行主动杆件多目标最优配置研究。除控制能量最小化外,对非控模态的控制溢出和观测溢出最小化是另外两个优化配置目标函数。算例表明了分析方法的可行性和有效性。     

含三维间隙铰空间可展机构动力学数值分析

全面考虑空间可展机构铰单元中的轴向和径向间隙,从三维间隙铰节点几何构形出发,给出销轴和轴套间在销轴轴向和径向最小距离的解析表达.构造了三维间隙铰节点接触与分离的切换点判别条件,考虑销轴和轴套“分离”和“接触”的2种状态,法向接触力采用非线性弹簧阻尼模型,摩擦力采用Coulomb摩擦模型,分段建立了含三维间隙铰节点可展机构的动力学方程.对含三维间隙铰节点可展桁架的运动过程进行了数值计算,计算结果表明,销轴和轴套间不仅发生桁架平面内的接触碰撞,而且径向间隙导致桁架平面外也产生波动的接触碰撞,瞬时的接触力可达理想铰十几倍.     

正方形可展机构的运动学与动力学特性研究

由单元机构阵列组合而成的可展结构在航天、航空、建筑等领域具有广阔的应用前景,对其进行运动学和动力学分析成为目前机械工程领域的一个研究。将正方形机构进行平面阵列组合形成了一种新型可展机构,对其进行了构型设计并以可展机构的铰接点位移为笛卡尔坐标,依据组成特点建立了可展结构的运动约束方程,进而获得基本点的速度和加速度。基于拉格朗日方程建立了可展结构的动力学分析模型,进行了可展结构的动力学分析。通过算例得出:①这种可展结构的面积收缩比为2.43;②这种结构在展开过程中,运动平缓,冲击小,无卡滞现象。     

可展薄膜的Miura弹性折痕建模与分析

为满足空间任务中对可展薄膜机构的大折展比、高平整度等需求,提出基于Miura弹性折痕的空间薄膜可展机构,并进行建模分析及样机研制。根据折痕分布规律和几何关系建立Miura-ori几何模型,研究薄膜的折痕参数对折展比和折痕总长的影响规律,并进行计算和折痕参数优化。在ABAQUS/Explicit中建立折痕倾角θ=90°及θ<90°的四折痕基本单元的数值仿真模型,分析薄膜关键折痕处的力学行为变化,初步证明二维弹性折痕的可行性;进一步研究经过Miura弹性折痕折叠后三角形薄膜的弹塑性,绘制折痕交点处应力随折叠过程的变化曲线,应力峰值均处于材料弹性范围内;研制空间可展开薄膜机构样机,进行了验证分析。结果表明：机构构型设计方案合理,优化后的折痕参数可以得到大折展比和小折痕总长的薄膜Miura折叠方案,展开后薄膜表面具有较高的平整度,证明了可展薄膜Miura弹性折痕的可行性和优越性。     

正方形组合可展机构的位移模态和路径跟踪研究

可展机构的运动路径不仅可以掌握机构是否按预期规律运动,而且为其运动控制提供理论支撑。为了精确研究正方形组合机构的运动学特性,首先基于螺旋理论和图论分析了正方形组合可展机构的可动性,然后在此基础上,推导了正方形组合可展机构的平衡矩阵,将其进行奇异值分解,得到了正方形组合可展机构的位移模态。其次通过位移模态的迭代,建立了正方形组合可展机构的路径跟踪方法。最后借助算例分析,确定了正方形组合可展机构的分岔点位置,分析了分岔点位置的变化规律以及它和平衡矩阵奇异值的正相关性,发现增加额外约束和规划合理路径可以避免出现分岔现象,为正方形组合可展机构的构型设计和参数优化提供了必要的参考数据。