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。     

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。     

正八面体空间伸展臂的八面体单元结构分析

任何空间形状都可以用空间基本单元体进行拼接,这里采用正八面体来拼接一种空间伸展臂.首先,对桁架形式的正八面体进行派生、转化,构建一种索杆混合的正八面体结构.而后,利用振动特性分析,对索进行去除,并且把多个正八面体进行拼接,构建出空间伸展臂结构.利用力密度法建立此系统的平衡方程,得到各构件的内力.利用二力杆的分析方法,得到整个系统杆构件的力与形变的关系式.通过具体数值的代入,得到了索预紧时此伸展臂轴线的偏角,从而证明了此伸展臂预紧方案是可行的.     

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。     

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.     

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。     

弹簧储能式空间可伸展机构的设计研究

设计了一种飞器用弹簧储能式空间可伸展机构。根据其所工作的特殊环境和技术参数,确定了具有弹簧驱动、机械式联动、弹性锁止等特征的空间可伸展机构。利用ADAMS软件对其关键部件——扭转弹簧的刚度系数进行了优化设计。对所研制的原理样机进行了试验分析,验证了可伸展机构的性能。     

伸展臂根部锁定机构的设计与运动分析

分析了一维伸展臂完全展开后与承栽筒之间的稳定锁定机构的设计原理,提出了能够实现无独立驱动动力源的锁紧原理,确定了根部锁紧机构采用双滑块伸缩连杆锁紧机构.通过分析,使伸展臂的根部锁紧机构简化为一种带弹簧的双滑块机构.首先根据此机构的运动分析,利用拉格朗日方程获得了滑块2(水平移动滑块)的位移和速度表达式.通过编程来分析验证理论分析的正确性,又进一步通过分析滑块2的运动对弹簧刚度和连杆的长度进行了确定.     

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。     

高刚重比天线结构刚强度优化设计与分析

天线的发射和接收性能取决于反射面的形面精度,而结构刚强度是决定天线反射面形面精度的主要指标,因此对天线结构进行优化设计非常必要。文中提出了一种具有高刚重比的车载天线结构,采用ANSYS有限元分析软件对天线自重、抗风载荷和振动载荷性能进行了力学仿真分析。仿真结果表明,井形背架结构和桁架形背架结构均可为反射面提供高刚度的结构支撑,桁架形背架结构在强度方面优于井形背架结构,其最大应力值比井形背架结构的最大应力值小43.8 MPa,从而验证了该高刚重比车载天线结构优化设计的合理性和可靠性,可为同类型天线的设计提供理论支撑。     

斗轮堆取料机门座架受力分析及结构优化

针对传统斗轮堆取料机门座架强度和刚度差、耗材、存在安全隐患等问题,对门座架进行详细受力分析,在此基础上提出了新的门座架结构形式,以环形梁代替联结座圈,新的门座架受力好、节省材料、节省加工工序及加工量、安全可靠性高,可为斗轮堆取料机门座架的设计提供指导和参考.     

基于大行程柔性铰链的并联机器人刚度分析

基于大行程柔性铰链的并联机器人系统可以在立方厘米级的工作空间内提供亚微米级的运动精度。所采用的大行程柔性铰链的几何参数及其在空间内的布置,将会直接决定并联机器人的系统刚度,从而间接的影响整体系统的工作空间、承载能力和驱动负荷等一系列系统性能。提出了大行程柔性铰链基于刚度方程的弹性模型,采用刚度组集的方法并通过建立协调方程,构建得到整体系统的刚度模型。进而进行了系统刚度性能分析,得到系统刚度影响图谱,为这类新型的柔性并联机器人的设计与开发提供了有力依据。     

工件质量和位置对单面立式平衡机测量误差的影响

针对永久标定式单面立式动平衡机对不同质量、不同高度的工件存在较大测量误差的问题,提出了一种用摆架扭摆效应分析误差来源的方法。将摆架系统处理成二自由度振动系统,根据力学原理建立了振动系统的运动方程;推导了系统振动中心的变化规律公式,分析了转速、工件位置和质量对振动中心的影响;推导了簧板绕振动中心的扭转刚度公式,同时分析了扭转刚度与振动中心位置间的关系。通过实验验证了扭转效应随工件质量、位置的变化规律,证明了簧板扭转刚度公式的正确性,分析了永久标定产生的误差,最大误差率为34.41%,说明了永久标定算法的不合理性,为优化测量算法提供了参考。     

某车载雷达天线骨架结构的优化设计

天线骨架是车载雷达天线系统的主承力结构,除刚强度需满足设计要求外,其重量也应满足车载雷达的机动性要求.文中利用有限元软件,对工作条件下某车载雷达的天线骨架结构进行了模态分析以及自重、风载和温度载荷等静力分析,并根据天线骨架构型的拓扑优化结果、应力和变形的计算结果、骨架结构形式以及力的传递方式对天线骨架进行了优化设计.仿真结果表明,优化后的骨架在重量减小的同时,刚强度也得到了一定程度的提高.该研究结果可为大阵面高负载天线骨架的轻量化设计提供技术支撑.     

某重型自卸车车架的有限元分析与改进设计

运用UG软件建立起某重型自卸车车架总成的三维模型,并利用有限元分析方法,采用壳单元进行网格划分以及合理的模型简化和连接方式,建立起某重型自卸车车架基于Nastran的有限元模型.对应车架在纯弯曲和扭转两种工况下,施加相应的边界条件和载荷条件,进行刚强度分析,得到车架在纯弯曲、扭转工况下的应力、应变图,找出车架中的薄弱部位并对薄弱部位进行结构优化.通过优化前后对比分析为后续车架结构改进提供理论依据.     

矿用自卸车车架结构多目标拓扑优化研究

为给矿用自卸车车架结构设计和优化提供参考,针对国产首台300t矿用自卸车工作环境极其复杂、行驶路况极为恶劣以及载重量大而导致车架结构容易破坏失效的情况,采用SIMP变密度法对其进行拓扑优化研究,以多工况下的刚度和一阶振动频率为目标,并利用折衷规划法定义的多刚度和高频率的多目标拓扑优化函数进行优化。依据优化结果设计了新的车架,并比较了经验设计下的车架和新车架的刚度和频率。研究结果表明：采用多目标拓扑优化方法指导设计的车架刚度和频率都有显著提高,改善了车架的使用性能,能使车架更好地在恶劣环境中使用。     

矿用重型自卸车推杆断裂分析与诊断

为解决某矿用三轴重型自卸车推杆频繁发生断裂的问题,基于4节点的SHELL63板壳单元和10节点的SOLID92三维实体单元,分别建立车架主体结构和推杆的有限元分析模型。在有限元分析软件ANSYS中分析自卸车在弯曲工况、弯扭组合工况和制动工况下推杆的静态强度和刚度及整车模态振型和模态频率,在MATLAB/SIMULINK环境下以白噪声为基础仿真实际路面谱,完成车架结构的响应谱分析。分析结果表明,有限元分析得出的最大应力位置和推杆在实际使用中出现的异常断裂位置相吻合,找出了该车推杆裂纹过早出现的原因,提出了车架结构改进设计方案,使用效果表明改进方案是有效的。     

基于骨架模型仿真分析的某履带架设计

以骨架模型仿真分析为基础,通过强度、刚度分析指导某履带架的设计。提出以履带架为代表的箱型结构的ALD（Analysis Lead Design仿真驱动设计）设计流程。本次设计中,CAE与CAD中Top-Down技术的结合应用,提高了设计的精准性,缩短了研发设计周期。     

基于ANSYS的15MN液压压力矫直机主机机体的有限元分析

用SotdWorks软件建立了液压压力矫直机主机机体的三维模型,通过ANSYSWorkbench软件建立了主机机体的有限元分析模型,对主机机体进行了结构强度、刚度校核,在形状优化基础上进行了结构改进。