空间可展开三棱柱伸展臂设计与优化
发布时间：2021-07-26 16:24
空间伸展臂作为空间折展机构中形式最丰富、研究最早、应用最广泛的一维空间折展机构,其主要作用是展开柔性太阳能帆板,支撑网状天线、合成孔径雷达、太空望远镜等。以三棱柱式伸展臂为研究对象,对伸展臂的展开方式和几何参数进行设计分析。基于几何非线性有限元理论,建立含空间桁架及预应力绳索的可展开伸展臂单元模型,然后建立含多可展开单元的大型伸展臂的几何非线性动力学模型。通过Matlab编程计算伸展臂的基频,得到影响伸展臂基频的关键因素,并以伸展臂的基频为优化目标,质量为约束条件,采用遗传算法对伸展臂进行优化设计。研制可展开三棱柱伸展臂样机,对伸展臂进行折展功能及参数优化设计验证试验。结果表明所设计的三棱柱伸展臂可顺利折展,所做的优化设计有效可行。通过该方法可以对特定任务需要的伸展臂进行优化设计,在满足约束条件的情况下,达到基频最高,对伸展臂的设计提供参考。
【文章来源】：机械工程学报. 2020,56(15)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
图11张力索半径对基频的影响
龌?沟淖钣偶负纬叽绮?数，为机构的后期详细设计打下基矗1可展开三棱柱伸展臂设计1.1三棱柱伸展臂展开方式设计如图1所示，空间可展开伸展臂由可展开单元串联构成一定长度的伸展臂，具有良好的拓展性，其每个可展开单元由横梁、纵杆、张力索以及铰链等构成。伸展臂的杆件起到支撑作用；张力索可以通过预紧力有效减小铰链间隙，同时预紧后的张力索自身可以提高伸展臂的扭转刚度，达到提高整个伸展臂刚度的作用。空间可展开三棱柱伸展臂纵杆的折展方式分为中心折叠、侧向折叠及过渡折叠三种方式。如图2所示，三棱柱伸展臂中心折叠时，纵杆沿三角框的图1空间可展开三棱柱伸展臂三个角平分线分布；侧向折叠时，纵杆沿横梁分布；过渡折叠时，纵杆在角平分线和横梁之间的区域分布。当三角框尺寸一定，同时纵杆尺寸达到几何允许最大的情况下，随着纵杆由中心向侧向折叠，伸展臂的折展比逐渐增大，即在横梁长度和可展开单元数量相同的情况下，伸展臂的展开长度不断增大。因此中心折叠方式适用于较小折展比，对伸展臂单元数量要求不严格的情况；侧向折叠适用于大折展比，即伸展臂展开总长度和三角框尺寸确定的情况下，要求单元数量最少的情况；过渡折叠方式可根据伸展臂本身及外载荷的尺寸参数要求灵活设计。图2三棱柱伸展臂折展方式三棱柱伸展臂的驱动展开方式主要有丝杠和弹簧驱动展开两种方式，如图3所示，丝杠驱动适用于多单元大跨度的大型伸展臂，驱动装置质量较大；弹簧驱动适用于少单元小跨度的小型伸展臂的驱动展开。1.2三棱柱伸展臂几何参数分析如图4所示，定义伸展臂横梁的长度为bL，纵杆的长度为lL，折叠纵杆与横梁的夹角为。伸展
月2020年8月高明星等：空间可展开三棱柱伸展臂设计与优化131图3三棱柱伸展臂驱动方式臂纵杆由中心折叠过渡到侧向折叠的过程中，即夹角由π/6变为0，定义伸展臂单元的纵横比/ulbnLL，则un满足式(1)所示关系。通过计算，如图5所示，的取值为(π/6～0)时，un的取值范围是1.16～2.00。上述分析是在几何约束下，纵杆取最大值的情况，当考虑纵杆长度的可变性时，un在理论上的取值为0～2。2cossin/tan(π/3)lbLL(1)图4伸展臂参数定义图5单元纵横比与夹角关系图为研究三棱柱伸展臂的几何参数对伸展臂基频和质量的影响，定义如下参数：/wbnLL为伸展臂整体的纵横比，即伸展臂总长度L与横梁长度bL的比值；/nlnLL为伸展臂的可展开单元数目，即伸展臂总长度L与纵杆长度lL的比值；br为横梁的半径，bt为横梁的壁厚；lr为纵杆的半径，lt为纵杆的壁厚；cr为张力索的半径，cF为张力索的预紧力大小；f为伸展臂的频率；m为伸展臂的质量。2三棱柱伸展臂非线性有限元法一般对于多自由度系统的动力学基本方程为++TMxCxKxF(2)式中，M为质量矩阵；C为阻尼矩阵；TK为切线刚度矩阵；x为节点加速度矢量；x为节点速度矢量；x为节点位移矢量；F为外力函数矢量。分析结构动力学问题的主要工作是计算结构的固有频率和振型，这一工作也是分析结构动力学响应的基础，可归为求解特征值和特征矢量的问题。对于无阻尼自由振动情况，即上式中C和F均为零，那么可以得到结构的自由振动方
【参考文献】：
期刊论文
[1]空间充气展开绳网捕获系统动力学建模与分析[J]. 刘昊,魏承,田健,谭春林,赵阳. 机械工程学报. 2018(22)
[2]Design and Experiment of Triangular Prism Mast with Tape-Spring Hyperelastic Hinges[J]. Hui Yang,Hong-Wei Guo,Yan Wang,Rong-Qiang Liu,Meng Li. Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2018(02)
[3]空间伸展臂的技术现状与难点[J]. 周思达,周小陈. 中国空间科学技术. 2014(06)
[4]索杆铰接式伸展臂动力学建模与分析[J]. 郭宏伟,刘荣强,邓宗全. 机械工程学报. 2011(09)
[5]基于空间多面体向心机构的伸展臂设计研究[J]. 杨毅,丁希仑. 机械工程学报. 2011(05)
本文编号：3303911
【文章来源】：机械工程学报. 2020,56(15)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
图11张力索半径对基频的影响
龌?沟淖钣偶负纬叽绮?数，为机构的后期详细设计打下基矗1可展开三棱柱伸展臂设计1.1三棱柱伸展臂展开方式设计如图1所示，空间可展开伸展臂由可展开单元串联构成一定长度的伸展臂，具有良好的拓展性，其每个可展开单元由横梁、纵杆、张力索以及铰链等构成。伸展臂的杆件起到支撑作用；张力索可以通过预紧力有效减小铰链间隙，同时预紧后的张力索自身可以提高伸展臂的扭转刚度，达到提高整个伸展臂刚度的作用。空间可展开三棱柱伸展臂纵杆的折展方式分为中心折叠、侧向折叠及过渡折叠三种方式。如图2所示，三棱柱伸展臂中心折叠时，纵杆沿三角框的图1空间可展开三棱柱伸展臂三个角平分线分布；侧向折叠时，纵杆沿横梁分布；过渡折叠时，纵杆在角平分线和横梁之间的区域分布。当三角框尺寸一定，同时纵杆尺寸达到几何允许最大的情况下，随着纵杆由中心向侧向折叠，伸展臂的折展比逐渐增大，即在横梁长度和可展开单元数量相同的情况下，伸展臂的展开长度不断增大。因此中心折叠方式适用于较小折展比，对伸展臂单元数量要求不严格的情况；侧向折叠适用于大折展比，即伸展臂展开总长度和三角框尺寸确定的情况下，要求单元数量最少的情况；过渡折叠方式可根据伸展臂本身及外载荷的尺寸参数要求灵活设计。图2三棱柱伸展臂折展方式三棱柱伸展臂的驱动展开方式主要有丝杠和弹簧驱动展开两种方式，如图3所示，丝杠驱动适用于多单元大跨度的大型伸展臂，驱动装置质量较大；弹簧驱动适用于少单元小跨度的小型伸展臂的驱动展开。1.2三棱柱伸展臂几何参数分析如图4所示，定义伸展臂横梁的长度为bL，纵杆的长度为lL，折叠纵杆与横梁的夹角为。伸展
月2020年8月高明星等：空间可展开三棱柱伸展臂设计与优化131图3三棱柱伸展臂驱动方式臂纵杆由中心折叠过渡到侧向折叠的过程中，即夹角由π/6变为0，定义伸展臂单元的纵横比/ulbnLL，则un满足式(1)所示关系。通过计算，如图5所示，的取值为(π/6～0)时，un的取值范围是1.16～2.00。上述分析是在几何约束下，纵杆取最大值的情况，当考虑纵杆长度的可变性时，un在理论上的取值为0～2。2cossin/tan(π/3)lbLL(1)图4伸展臂参数定义图5单元纵横比与夹角关系图为研究三棱柱伸展臂的几何参数对伸展臂基频和质量的影响，定义如下参数：/wbnLL为伸展臂整体的纵横比，即伸展臂总长度L与横梁长度bL的比值；/nlnLL为伸展臂的可展开单元数目，即伸展臂总长度L与纵杆长度lL的比值；br为横梁的半径，bt为横梁的壁厚；lr为纵杆的半径，lt为纵杆的壁厚；cr为张力索的半径，cF为张力索的预紧力大小；f为伸展臂的频率；m为伸展臂的质量。2三棱柱伸展臂非线性有限元法一般对于多自由度系统的动力学基本方程为++TMxCxKxF(2)式中，M为质量矩阵；C为阻尼矩阵；TK为切线刚度矩阵；x为节点加速度矢量；x为节点速度矢量；x为节点位移矢量；F为外力函数矢量。分析结构动力学问题的主要工作是计算结构的固有频率和振型，这一工作也是分析结构动力学响应的基础，可归为求解特征值和特征矢量的问题。对于无阻尼自由振动情况，即上式中C和F均为零，那么可以得到结构的自由振动方
【参考文献】：
期刊论文
[1]空间充气展开绳网捕获系统动力学建模与分析[J]. 刘昊,魏承,田健,谭春林,赵阳. 机械工程学报. 2018(22)
[2]Design and Experiment of Triangular Prism Mast with Tape-Spring Hyperelastic Hinges[J]. Hui Yang,Hong-Wei Guo,Yan Wang,Rong-Qiang Liu,Meng Li. Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2018(02)
[3]空间伸展臂的技术现状与难点[J]. 周思达,周小陈. 中国空间科学技术. 2014(06)
[4]索杆铰接式伸展臂动力学建模与分析[J]. 郭宏伟,刘荣强,邓宗全. 机械工程学报. 2011(09)
[5]基于空间多面体向心机构的伸展臂设计研究[J]. 杨毅,丁希仑. 机械工程学报. 2011(05)
本文编号：3303911
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