盘绕式空间伸展臂力学行为研究

摘要

盘绕式伸展臂是空间可展桁架体系的基本形式之一,是空间伸展臂的应用形式之一,是研究开发大型空间可展结构的基础。在地面上,盘绕式伸展臂连续纵杆发生弹性屈曲,并按螺旋方式盘绕存储应变能,展开状态下弹性应变能逐渐释放,伸展臂展开直至最终的稳定工作状态。因其具有构造简单、质量轻便、可靠性高、收纳率高等特点,已经得到国内外广泛的关注与研究。
　　本文围绕盘绕式空间伸展臂的盘绕过程进行力学性能分析和试验研究,主要内容包括连续纵杆空间状态的理论研究、连续纵杆大转角大变形纯弯曲试验、单根纵杆盘绕分析、盘绕式伸展臂整体盘绕分析和支撑边框的部件和整体模态分析。
　　首先,根据盘绕式空间伸展臂连续纵杆在盘绕过程中的形态,引入一定的假设,运用弹性细杆非线性力学的理论,求解了平面内纯弯曲和空间螺旋线两种典型形态,得到了维持平衡的条件及外力与变形之间的关系。
　　其次,为研究纵杆弯曲行为,研制了大转角大变形纯弯曲试验机构,并对玻璃纤维增强材料的构件进行了试验。试验得到了试验材料弯曲性能参数和几何限制,同时还发现了试件破坏的方式和特点,可以对节点设计给出一定参考。
　　再次,采用非线性静力法,对单节距单根纵杆进行初步盘绕分析,并对比盘绕方法和策略。然后以盘绕式伸展臂整体为研究对象,设计两种不同盘绕方法,并进行了结果对比,得到了盘绕式伸展臂整体盘绕的力学行为及几何特点。
　　最后,对支撑边框的部件进行了模态分析,并研究了设计参数对部件自振频率及模态的影响。然后针对两种不同几何尺寸的支撑边框整体进行了模态分析,得到了整体结构的振动频率及模态。

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第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 盘绕式空间伸展臂

1.3 本文主要研究内容

第二章 弹性细杆非线性力学

2.1 引言

2.2 曲线和曲杆的几何学基础

2.3 Kirchhoff方程及其初积分

2.4 弹性杆的挠性线

2.5 盘绕式伸展臂纵杆问题

2.6 本章小结

第三章 连续纵杆大变形大转角纯弯曲试验

3.1 引言

3.2 大变形大转角纯弯曲试验机构

3.3 连续纵杆的大变形纯弯曲试验

3.4 试验数据处理及结果分析

3.5 试验试件破坏特点

3.6 误差分析

3.7 本章小结

第四章 盘绕式空间伸展臂收展过程力学行为数值分析

4.1 引言

4.2 大变形非线性有限元方法与原理

4.3 单节距纵杆盘绕力学行为分析

4.4 盘绕式伸展臂整体盘绕力学行为分析

4.5 本章小结

第五章 支撑边框模态分析

5.1 引言

5.2 盘绕三棱桁架模态分析

5.3 盘绕三棱桁架设计参数对模态的影响

5.4 矩形截面杆模态分析

5.5 支撑边框模态分析

5.6 本章小结

第六章 结论和展望

6.1 主要工作与结论

6.2 展望

参考文献

致谢

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