柔性铰链及其在自展开径向肋天线中应用研究

摘要

随着空间技术的发展，研究大口径、质量轻、可靠性高的空间大型可展开天线已成为航天科技的重要研究领域，而大型可展开天线的结构创新设计与天线动力学等基础问题的研究是其重要的内容。本文针对目前电机驱动可展开天线存在可靠性低的缺点，提出了一种柔性铰链式自展开径向肋天线，并解决了天线结构设计中的几个关键问题，对天线的结构进行了模态分析，对天线支撑臂的展开过程进行了多柔体动力学仿真，得到了一些很有参考价值的结论。 本文的主要工作及创新点如下： 1.详细研究了集中式柔性铰链，根据伪刚体模型的基本原理，建立了集中式柔性机构的等效动力学分析方法；在集中式柔性铰链的基础上，创造性地提出了恒刚度柔性铰链和恒扭矩柔性铰链，并给出了恒刚度柔铰链的转动刚度和恒扭矩柔性铰链扭矩的解析表达式；为了能较好地应用在天线结构设计中，分别针对恒刚度柔性铰链和恒扭矩柔性铰链设计了可行的锁止机构。 2.创新性地提出了一种柔性铰链式自展开径向肋天线结构：为了减小天线在展开过程和锁止后对星体的冲击，在天线结构中设计了粘滞流体阻尼器，并在经典流体力学理论的基础上研究了间隙式阻尼器和阻尼孑L阻尼器的阻尼特性；最后在一定假设的基础上，推导了天线在柔性铰链和阻尼器的共同作用下的展开时间解析表达式。 3.利用有限元仿真技术建立了天线模态分析的有限元模型，详细分析了影响天线固有特性的多种因素，为进一步分析天线结构动力学问题和天线结构的尺寸定型，提供了有力地参考依据。 4.利用多柔体动力学仿真技术，研究了在恒扭矩柔性铰链驱动下，影响天线支撑臂展开时间和展开过程中及锁止瞬间对星体冲击力的多种因素，为进一步研究支撑臂在展开与锁止过程中的减振技术提供了有力地参考依据。 本文所研究的内容属于对大型卫星可展开天线结构的创新设计，不仅具有较强的理论意义，更具有较高的实用价值。

目录

文摘

英文文摘

西北工业大学业学位论文知识产权声明书及西北工业大学学位论文原创性声明

第一章绪论

1.1本文研究的意义

1.2相关领域的研究现状

1.2.1大型可展天线的国内外研究现状

1.2.2大型可展天线的常见结构

1.2.3大型可展天线动力学

1.3本文的主要工作

第二章柔性铰链结构设计与研究

2.1集中式柔性机构动力学等效分析方法研究

2.1.1伪刚体模型和柔性铰链的扭转刚度

2.1.2单自由度柔性机构的动力学分析

2.1.3两自由度柔性机构动力学分析

2.2恒刚度柔性铰链结构设计与转动刚度研究

2.2.1恒刚度柔性铰链的结构设计

2.2.2柔性铰链的转动刚度研究

2.2.3柔性铰链中储存的能量计算

2.3恒扭矩柔性铰链结构设计及力矩特性研究

2.3.1恒扭矩柔性铰链的结构与工作原理

2.3.2恒扭矩柔性铰链力矩特性研究

2.4柔性铰链的锁止方案研究

2.4.1恒刚度柔性铰链的一种锁止方案

2.4.2恒扭矩柔性铰链的一种锁止方案

2.5本章小结

第三章柔性铰链式自展开径向肋天线结构与展开原理

3.1天线的整体结构

3.1.1天线反射面的选型及工作原理

3.1.2柔性铰链式自展开径向肋天线结构

3.2柔性铰链式自展开天线的展开原理

3.3阻尼器的选型及阻尼特性

3.3.1阻尼器的类型

3.3.2天线中所采用的阻尼器结构

3.4阻尼器的阻尼特性对天线展开时间的影响

3.4.1国内外对阻尼器阻尼特性的研究

3.4.2粘滞流体阻尼器阻尼特性

3.4.3含阻尼器时天线展开的时间

3.5本章小结

第四章柔性铰链式自展开径向肋天线结构模态分析

4.1模态分析的基本原理与建模

4.1.1模态分析的基本原理

4.1.2天线模态分析的模型

4.2天线的结构参数对天线模态的影响

4.2.1只改变径向肋和成形支撑杆的外径

4.2.2只改变杆件的壁厚

4.2.3只改变索网的预紧力

4.3增加斜拉绳索对天线固有频率的影响

4.3.1只对径向肋添加斜拉绳索

4.3.2对径向肋和成型支撑杆添加斜拉绳索

4.4小结

第五章天线支撑臂展开动力学仿真

5.1多柔体动力学仿真的基本原理

5.1.1MSC.ADAMS/Flex简介

5.1.2MSC.ADAMS/Flex数学建模基本原理

5.2支撑臂展开动力学仿真的数据准备

5.2.1支撑臂展开原理

5.2.2模态中性文件的生成

5.3支撑臂展开动力学仿真

5.3.1支撑臂展开过程仿真

5.3.2支撑臂锁止瞬间对星体的冲击力仿真

5.4本章小结

第六章结论与展望

6.1主要研究工作与创新点

6.2研究结论

6.3展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢