用于太阳帆展开的柔性铰链设计及其性能研究

发布时间：2020-11-19 08:12

　　 我国是航天事业大国,在航天领域取得了卓越的成就。太阳帆作为航天器进入太空的主要能量来源,对于航天器在太空正常运行起着关键作用,同时其展开过程对于航天器的姿态控制也有一定影响。近年来,由于太阳帆展开故障造成航天器事故的事件时有发生,对航天器的正常运行造成了威胁。太阳帆一般由数块太阳板铰接而成,由于一般传统铰链的连接位置有空隙,在转动过程中有摩擦、磨损,需要润滑,会造成一定程度的冲击和振动,影响航天器的姿态控制与正常工作。柔性铰链可以很好地避免这些问题,利用材料本身的变形来提供驱动力。为了进行单转动自由度柔性铰链的设计,基于旋量理论和FACT(Freedom and Constraint Topologies)理论,定义了约束空间、交点和交距的概念,考虑约束位置和变形形式对柔性铰链的不同影响,对杆板约束条件下单转动自由度柔性铰链进行了系统分类,在此基础上,给出了杆、板约束的添加规则。结合柔性单元的串并联关系,设计了三种单转动自由度大转角柔性铰链。为了分析所设计柔性铰链的力学特性,以期获得更优的特性,采用伪刚体法、能量法以及柔性单元的串并联关系,建立了柔性铰链的转动刚度与径向刚度数学模型。并把该柔性铰链的尺寸参数作为设计变量,以边界约束、尺寸关系和性能约束为约束条件,在保证一定径向刚度的前提下,以提高转动能力为目标,利用该柔性铰链的等效刚度模型建立了柔性铰链的优化数学模型。采用多目标优化方法对该柔性铰链的设计参数进行了优化。通过优化前后柔性铰链的性能的对比分析,可得优化后柔性铰链的转动能力和径向刚度有了明显的提高。在Ansys中建立了三种柔性铰链的有限元模型,使用有限元仿真分析其转动刚度和径向刚度,通过仿真值和理论值的对比验证了刚度模型的正确性。针对组合式柔性铰链,搭建实验平台,采用扭矩传感器、电涡流位移传感器以及NI等设备进行数据采集与研究。测试了组合式柔性铰链的转动刚度和径向刚度,通过刚度实验,进一步验证了柔性铰链刚度模型的正确性。通过Solidworks三维建模软件建立了卫星本体、太阳板、柔性铰链等关键零部件的实体模型。运用Adams动力学软件对太阳帆的展开和锁紧过程进行了仿真研究,经过分析可以得出太阳帆可以实现平稳展开和锁定。总体而言,本文就柔性铰链替代传统铰链实现太阳帆的平稳展开,在理论、仿真与试验方面进行了较为深入的研究。为单转动自由度柔性铰链设计提供了设计规则,为三种柔性铰链的设计与优化提供了理论基础,同时对组合式柔性铰链进行了实验分析,并将其进行了太阳帆展开的动力学分析,实现了平稳展开与锁定。
【学位单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V442
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 课题的研究背景及意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 柔性铰链的研究现状
        1.2.2 柔性铰链的性能指标
        1.2.3 当前研究存在的主要问题
    1.3 课题研究内容及技术路线
第二章 单转动自由度柔性铰链设计方案
    2.1 设计方法综述
    2.2 杆板约束添加理论基础
    2.3 杆约束情况下约束的添加规则
        2.3.1 杆约束条件下柔性铰链的分类
        2.3.2 杆约束的添加
    2.4 板约束情况下约束的添加规则
        2.4.1 板约束条件下柔性铰链的分类
        2.4.2 板约束的添加和串并联关系
    2.5 大转角柔性铰链的设计
    2.6 本章小结
第三章 柔性铰链刚度计算与结构优化
    3.1 柔性铰链计算基础
    3.2 三种柔性铰链的刚度计算
        3.2.1 S型折叠式柔性铰链刚度计算
        3.2.2 一种折叠式柔性铰链刚度计算
        3.2.3 一种组合式柔性铰链刚度计算
    3.3 两种柔性铰链的结构优化
        3.3.1 折叠式柔性铰链的结构优化
        3.3.2 组合式柔性铰链的结构优化
    3.4 本章小结
第四章 柔性铰链有限元仿真与实验分析
    4.1 柔性铰链有限元仿真分析
        4.1.1 S型折叠式柔性铰链
        4.1.2 一种折叠式柔性铰链
        4.1.3 一种组合式柔性铰链
    4.2 组合式柔性铰链的实验研究
        4.2.1 实验方案的设计
        4.2.2 实验器材的选择
        4.2.3 实验数据的测试与分析
    4.3 本章小结
第五章 航天器太阳帆展开分析
    5.1 太阳帆展开与锁定的工作原理
    5.2 太阳帆结构设计
    5.3 太阳帆展开机构设计建模
    5.4 太阳帆展开仿真分析
        5.4.1 Adams仿真模型的建立
        5.4.2 展开仿真分析
        5.4.3 锁定仿真分析
        5.4.4 对卫星姿态的影响
    5.5 杆展开实验研究
    5.6 本章小结
第六章 结论与展望
    6.1 结论
    6.2 展望
参考文献
致谢
攻读硕士学位期间发表的学术论文、专利及参与的项目

【参考文献】

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本文编号：2889944