回转型柔性铰链的设计及用于折展机构驱动的研究

发布时间：2020-10-23 23:54

　　 随着航天事业的不断发展,使得在航天工程中越来越多地应用到了各种大型在轨结构。但是由于火箭内部容积的限制,很多时候碍于尺寸问题,无法将预期的非折展机构直接输送到太空中,各类可折展机构便在航天工程中得到了广泛的应用。而传统的折展机构在空间中应用时,需要添加电机等设备来提供动力,且需要额外的锁紧机构来保持稳定,使得机构结构复杂,质量偏大。本文设计出适用于空间折展机构的柔性铰链,使其能够兼具动力及锁定功能。为了得到能够用于空间折展机构的柔性铰链,使用双层圆环作为外框架,使用模块法将弧形曲面板和长薄板作为柔性单元进行组合,设计了一种双层回转型柔性铰链。基于伪刚体法建立了转动刚度及径向位移刚度的理论模型。在ANSYS软件中建立了有限元仿真模型,将理论值与仿真值对比,验证了理论模型的正确性。引入带状弹簧作为柔性单元,在双层回转型柔性铰链的基础上,设计了两种基于带状弹簧的回转型柔性铰链,并在ABAQUS软件中对于铰链中的带状弹簧进行了静力学分析,验证了设计的可行性。之后使用ABAQUS中的显示动力学模块对铰链的折叠及展开过程进行了准静态仿真分析,得到了折展过程中的力矩变化曲线。最后设计实验方案并搭建实验台,采用传感器及采集设备测试柔性铰链在展开过程中的力矩变化,及铰链在稳态状况下的抗干扰能力,进一步验证了柔性铰链的动力及稳态锁定功能。基于所提出的带簧柔性铰链,选取常见的平面三角形及矩形折展机构单元进行分析。使用ADAMS软件对两种折展机构进行了动力学,模拟了机构的展开过程,证明了带簧柔性铰链能够在机构中提供动力及锁定功能。随后设计了一种空间折展机构单元,在ADAMS软件中建立了该单元的动力学模型,模拟了其展开过程。将多个空间折展机构单元连接,组合成一种具有折展功能的大型圆柱面空间机构。本文就兼具动力及锁定功能的柔性铰链的设计及其在空间折展机构中的应用,进行了理论、仿真及实验方面的研究。提出了可用于空间折展机构的带簧柔性铰链,并进行了分析及实验;完成了折展机构的结构设计,进行了机构的动力学仿真,实现了机构的展开及锁定。
【学位单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TH112
【部分图文】：

（1）“奋进号”及其伸展臂[3]（2）俄罗斯四面体单元桁架[4]图 1-1 美国及俄罗斯的折展机构Fig.1-1American and Russian folding-unfolding institutions图 1-2 日本伸展肋式折展天线[5]Fig.1-2 Japanese extended ribbed folded antenna2）国内研究现状

图 1-2 日本伸展肋式折展天线[5]Fig.1-2 Japanese extended ribbed folded antenna状月 24 日，“东方红一号”卫星发射成功，我国对于航于我国初期经济发展较为缓慢，再加上没有认识到，到 20 世纪 90 年代才开始了对可折展机构的正式间站，加之卫星的型号偏于中小型，使得相应的大型“风云一号”系列卫星开始陆续登入太空，该系列两道后对称展开，属于基本的铰接式展开。而在 199三号”卫星，在该卫星上我国实现了一系列技术突破并且完成了 90°的转动，图 1-3(1)即为“东方红三号二号”FY-2C 的成功发射更标志着我国空间可展机构

管其技术还处于起步阶段。根据我国航天事业的发展规划，新一代科学探测卫星和站、空间平台等，都需要口径 5 m~20 m，工作频率 2~22 GHz 的大型空间可展开天统和长度 60 m 以上的空间机械臂[6]。目前国内从事可折展机构研究的单位主要有：中国空间技术研究院 504 所、浙江、上海航天技术研究院 805 所、同济大学、哈尔滨工业大学、西安电子科技大学、工业大学、电子科技大学等。中国空间技术研究院第 504 所已完成了口径 4.2 m 的肋天线原理样机的研究，并且对 6 m×2.8 m 单元桁架式可展开天线的预研已经接近。西安电子科技大学在 2010 年研制了一种环肋折展机构样机，该样机口径为 3 m， 1-3(2)所示。天线折展机构主要由展开圆环、支撑肋杆、充气圆管等结构组成。展环由环关节连接成的环肋杆组成，支撑肋则由肋关节连接的短肋杆组成，并且每个中都有驱动展开与锁定的装置。驱动由扭簧驱动，关节处有齿轮来保证同步，后由销来锁定[7]。
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本文编号：2853716