大型绳索铰接式可展开机构的展开性能分析与优化设计

摘要

人类航天事业的发展对空间大型机构的要求愈发强烈,但限于发射技术和发射成本,目前还没法将大型机构按原尺寸直接送上太空,为此空间可展开机构应运而生,这种大型机构在发射时折叠收拢,到轨后按计划展开进行工作,服役期满还能折叠回收。
　　本论文对可展开机构中的索杆机构进行研究,首次综合设计了带绳索的、铰接式的、可展开折叠的、大型的、曲面的空间机构,推出了3种新型机构,并对从中选取典型进行了从机构到运动、从静力学到动力学的分析以及优化设计,精心考量了它们零部件设计的一致性、可互换性和经济性原则,并比较总结了它们的可扩展性、折展性能、绳索布置方式、分析方法以及曲面构成方法。
　　本论文首先对剪式铰构成的三棱台机构、双3R1S闭环共支链正曲率机构和双5R1S闭环共支链负曲率机构进行机构综合分析,用螺旋理论分析3R1S闭环机构的运动度,接着将基本单元进行大型的曲面扩展,用铺地砖理论和曲面几何理论研究此三种机构的曲面扩展并分析它们的折展性能。为了深入剖析机构特性,对三种基本单元选典型进行分析,第一步是运动分析,用解析几何法求解三棱台机构的运动,用D-H表示法转换坐标描述正曲率机构的运动,此步所得广义坐标之关系为第四步动力学分析做准备;第二步是通过总结曲面构成方法解释三种机构的由来,并进行关键的绳索布置讨论,按驱动方式对绳索布置方式进行分类,给出具体的绳索布置模型;第三步是对布置绳索后的机构进行静力学分析,求取展开稳定后的受力关系和展开过程的受力关系,分别得到被动绳索预应力与电机驱动力;第四步是在不忽略惯性力作用的情况下对机构进行动力学分析,得到驱动力与运动的关系,理论计算与软件仿真对比进行验证;第五步也是最后一步,采用多目标方法对机构的原始设计参数如杆截面、绳索截面、杆长比例和预应力进行优化,获取更优的质量与刚度目标。

目录

摘 要

ABSTRACT

第1章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 课题研究目的和意义

1.3 国内外索杆可展开机构的研究现状

1.3.1 主/被动绳索式可展开机构

1.3.2 铰接桁架式可展开机构

1.3.3 张拉整体式可展开机构

1.3.4 自适应索杆铰接式可展开机构

1.4 本文的主要研究内容

第2章 机构综合与构型选择

2.1 剪式铰三棱台单元

2.2 正负曲率三向单元

2.2.1 正曲率单元

2.2.2 负曲率单元

2.3 本章小结

第3章 运动学与曲率分析

3.1 三棱台单元分析

3.1.1 三棱台单元运动分析

3.1.2 三棱台单元曲率分析

3.2 三向单元分析

3.2.1 正曲率单元运动分析

3.2.2 正曲率单元曲率分析

3.2.3 负曲率网络曲率分析

3.3 本章小结

第4章 曲面构成综合与绳索布置

4.1 曲面构成综合

4.1.1 单层曲面法

4.1.2 双层曲面法

4.2 绳索布置

4.2.1 三棱台单元

4.2.2 三向正曲率单元

4.2.3 三向负曲率单元

4.3 本章小结

第5章 静力学、动力学分析和机构优化设计

5.1 单元的静力学分析

5.1.1 展开后力平衡分析

5.1.2 展开阶段电机力矩分析

5.2 单元的刚体动力学分析

5.2.1 三向正曲率单元

5.2.2 三棱台单元

5.3 展开机构的优化设计

5.3.1 刚度分析

5.3.2 机构优化

5.4 本章小结

结 论

参考文献

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致 谢