用于太阳帆展开的柔性铰链设计及其性能研究

摘要

我国是航天事业大国，在航天领域取得了卓越的成就。太阳帆作为航天器进入太空的主要能量来源，对于航天器在太空正常运行起着关键作用，同时其展开过程对于航天器的姿态控制也有一定影响。近年来，由于太阳帆展开故障造成航天器事故的事件时有发生，对航天器的正常运行造成了威胁。太阳帆一般由数块太阳板铰接而成，由于一般传统铰链的连接位置有空隙，在转动过程中有摩擦、磨损，需要润滑，会造成一定程度的冲击和振动，影响航天器的姿态控制与正常工作。柔性铰链可以很好地避免这些问题，利用材料本身的变形来提供驱动力。 为了进行单转动自由度柔性铰链的设计，基于旋量理论和FACT(Freedom and Constraint Topologies)理论，定义了约束空间、交点和交距的概念，考虑约束位置和变形形式对柔性铰链的不同影响，对杆板约束条件下单转动自由度柔性铰链进行了系统分类，在此基础上，给出了杆、板约束的添加规则。结合柔性单元的串并联关系，设计了三种单转动自由度大转角柔性铰链。 为了分析所设计柔性铰链的力学特性，以期获得更优的特性，采用伪刚体法、能量法以及柔性单元的串并联关系，建立了柔性铰链的转动刚度与径向刚度数学模型。并把该柔性铰链的尺寸参数作为设计变量，以边界约束、尺寸关系和性能约束为约束条件，在保证一定径向刚度的前提下，以提高转动能力为目标，利用该柔性铰链的等效刚度模型建立了柔性铰链的优化数学模型。采用多目标优化方法对该柔性铰链的设计参数进行了优化。通过优化前后柔性铰链的性能的对比分析，可得优化后柔性铰链的转动能力和径向刚度有了明显的提高。 在 Ansys 中建立了三种柔性铰链的有限元模型，使用有限元仿真分析其转动刚度和径向刚度，通过仿真值和理论值的对比验证了刚度模型的正确性。针对组合式柔性铰链，搭建实验平台，采用扭矩传感器、电涡流位移传感器以及NI等设备进行数据采集与研究。测试了组合式柔性铰链的转动刚度和径向刚度，通过刚度实验，进一步验证了柔性铰链刚度模型的正确性。 通过 Solidworks 三维建模软件建立了卫星本体、太阳板、柔性铰链等关键零部件的实体模型。运用Adams动力学软件对太阳帆的展开和锁紧过程进行了仿真研究，经过分析可以得出太阳帆可以实现平稳展开和锁定。 总体而言，本文就柔性铰链替代传统铰链实现太阳帆的平稳展开，在理论、仿真与试验方面进行了较为深入的研究。为单转动自由度柔性铰链设计提供了设计规则，为三种柔性铰链的设计与优化提供了理论基础，同时对组合式柔性铰链进行了实验分析，并将其进行了太阳帆展开的动力学分析，实现了平稳展开与锁定。

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