可展桁架的结构设计及动力学分析研究

摘要

可展桁架结构是近些年发展起来的一种新型折叠结构体系，在航空航天，机械工程和日常生活中都有广泛地应用。本文对可展桁架的结构设计和动力学分析进行了深入系统的研究。
　　 首先，结合车载式自动遮阳装置支撑结构的功能要求、应用环境需求分析结果以及现有可展桁架结构型式的特性对比，选定在剪式单元可展开折叠机构的运动机理上进行改进设计，并提出基本运动准则和约束条件，完成抛物面型和圆柱面型两种可展桁架的赋形设计，同时通过ADAMS仿真软件实现圆柱面可展桁架的运动仿真，验证几何设计和运动的可行性。按照本文的设计原理，可进一步实现可展桁架按任意曲线赋形，丰富了多连杆折叠机构的结构形式。
　　 其次，采用有限单元法建立圆柱面可展桁架展开状态下的有限元模型，并通过模态分析掌握了铰接杆、支撑轴截面尺寸变化和等效集中质量变化对结构整体模态和刚度的影响，同时结合可展桁架结构的实际应用环境完成强风载荷的分析。并以上述的分析结果为依据，选择铰接圆管外径和壁厚为优化设计参数，建立数学优化模型，再利用ANSYS软件进行圆柱面可展桁架的截面尺寸优化设计，以获得满足最佳设计要求的截面尺寸参数。
　　 然后，针对圆柱面可展桁架的结构特点，应用多刚体系统动力学理论的拉格朗日方法建立系统动力学方程，通过运动求解分析其动力特性，得出驱动力模式与桁架系统运动的关系，并通过ADAMS动力学分析软件验证上述方法的正确性。最后结合虚拟样机技术和有限元技术将可展桁架中的关键铰接杆柔性化，简单、方便地实现了刚柔耦合动力学仿真求解，分析柔性铰接杆对可展桁架运动的影响，避免了传统方式的繁琐推导和复杂计算。
　　 最后，基于上述工作的基础，本文完成了圆柱面可展桁架的1：1实物样机试制，并通过收合实验，验证赋形设计理论的正确性和运动的可行性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1引言

1.2国内外可展桁架结构的分类和特点

1.2.1剪式单元结构

1.2.2平行四边形单元结构

1.2.3四面体单元结构

1.3国内外可展桁架结构的研究现状

1.4课题的来源及研究意义

1.5本文的主要工作

第二章 可展桁架的功能需求分析和赋形设计

2.1引言

2.2可展桁架的结构功能需求分析

2.3可展桁架的赋形设计

2.3.1结构型式的评价

2.3.2整体结构的构思

2.3.3抛物面型可展桁架的赋形设计

2.3.4圆柱面型可展桁架的赋形设计

2.3.5两方案的对比分析

2.4圆柱面可展桁架的运动仿真

2.4.1仿真软件ADAMS简介

2.4.2圆柱面可展桁架仿真模型的建立

2.4.3圆柱面可展桁架机构运动学仿真与分析

2.5本章小结

第三章 圆柱面可展桁架的结构优化设计

3.1引言

3.2圆柱面可展桁架有限元模型的建立

3.2.1可展桁架的参数设计

3.2.2可展桁架的单元划分

3.2.3铰接的实现

3.3圆柱面可展桁架的模态分析

3.3.1模态分析基本原理

3.3.2铰接杆截面尺寸变化对固有频率的影响

3.3.3支撑轴截面尺寸变化对固有频率的影响

3.4圆柱面可展桁架的强风载荷计算

3.4.1风载荷静力计算

3.4.2结果分析

3.5圆柱面可展桁架铰接杆截面尺寸的优化设计

3.5.1 ANSYS优化设计的基本步骤

3.5.2优化数学模型的建立

3.5.3优化设计及结果分析

3.6本章小结

第四章 圆柱面可展桁架的动力学分析

4.1引言

4.2圆柱面可展桁架刚体动力学建模方法的选取

4.3圆柱面可展桁架刚体动力学分析

4.3.1桁架系统力学模型的构建

4.3.2桁架系统的动态静力分析

4.3.3基于Lagrange方法的刚体动力学方程建立

4.3.4运动过程求解及动力特性分析

4.3.5驱动力模式对运动的影响

4.4圆柱面可展桁架的刚柔耦合动力学分析

4.4.1基于ADAMS/ANSYS刚柔耦合动力学分析方法研究

4.4.2利用有限元技术建立柔性体

4.4.3刚柔耦合动力学模型的建立

4.4.4柔性杆对可展桁架运动的影响

4.5本章小结

第五章 样机试验

5.1引言

5.2样机试制

5.3收合试验

5.4本章小结

第六章 总结与展望

6.1本文主要工作和总结

6.2进一步工作

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果