多环闭链可展机构性能分析及协同优化设计

摘要

近年来，航天任务中随处可见一些大型在轨结构，大尺寸、轻质量、高精度的空间可展开机构得到了快速发展和应用。本文以一种多环闭链空间可展开机构作为研究对象，综合考虑机构运动学和力-热耦合性能，对其进行了结构参数的协同优化设计。具体内容和成果如下：
　　首先提出了一种新型的多环闭链空间可展开机构，建立了该机构单元三个闭链的回路约束方程，完成了可展开机构单元的位置分析。进而通过对机构回路约束方程组求全微分，得出该机构的位置误差方程组，并分析了各杆长对机构输出位置角度的影响。然后，列写机构单元的静力学平衡方程，完成机构单元的静力学分析，从而得到了所有杆件的轴向力以及驱动力与阻抗力矩之间的关系表达式。最后借助相关软件对上述理论推导工作进行了验证。
　　其次，引入多学科设计优化方法-协同优化方法，并简单介绍了协同优化方法的主要思想和其清晰的优化框架图，然后以工程实例为例，在给定机构展开口径与展开角度范围的前提下，以各杆杆长及位置夹角为设计变量，以机构展收比最大、滑块驱动行程最小和整个展开行程中的最小传动角最大作为优化目标，采用协同优化方法策略，将优化设计问题分解为：一个系统级和并行的三个子系统级，完成了该机构单元尺度协同优化的数学建模，进而得到该机构在总目标函数下的尺度参数最优值。优化结果表明，该机构可同时达到15:1的展收比、198mm的驱动行程和22度的最小传动角，机构展开运动平稳、无死点。
　　最后，在上述优化的基础上，综合考虑机构的力热性能和影响机构稳定性的转动刚度因素，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最小、重量最小、展开态下的基频最大和转动刚度最大作为优化目标，同样采用协同优化方法，建立了该机构单元的力-热耦合协同优化数学模型。进而得到该机构在总目标函数下所有杆件横截面尺寸的参数最优值。实例结果表明，结构热变形降低了56％，展开态基频提高了39%，展开单元的重量与转动刚度均可满足各自的设计指标。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 研究背景

1.3 国内外研究现状

1.4 本文研究工作

第二章 多环闭链空间可展开机构的性能分析

2.1 引言

2.2 机构位置分析

2.3 机构位置误差分析

2.4 机构静力学分析

2.5 实例分析与验证

2.6 本章小结

第三章 多环闭链空间可展开机构的尺度协同优化设计

3.1 引言

3.2 协同优化理论基础

3.3 可展机构尺度协同优化设计的数学建模

3.4 实例仿真与结论分析

3.5 本章总结

第四章 多环闭链空间可展开机构的力-热耦合协同优化设计

4.1 引言

4.2 机构转动刚度的分析

4.3 有限元模型的建立

4.4 空间可展开机构力-热耦合协同优化实例

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1本文已完成工作

5.2 研究展望

参考文献

致谢

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