锥形可展桁架的设计与分析

论文摘要

在太空探索和空间站的建设中,由于受到发射器空间的限制,航天设备不可能都是以展开的状态发射到太空中,所以随着航天科技的进步,可展机构得到前所未有的发展机遇,并且在许多地方得到了实际的应用。可展机构是一类能够从折叠状态变化到展开状态,并能够形成稳定结构而承受一定载荷的机构。相对其它可展机构,空间可展桁架虽然结构比较简单,但在大型空间结构中具有更广泛的应用价值,如用于展开柔性太阳能帆板、支撑太空望远镜及合成孔径雷达等。空间可展桁架要求具有高刚性、高可靠性、大的折叠比和尽量小的质量。目前对于可展桁架的研究都是集中于等截面桁架,本课题提出一种新颖的锥形可展桁架,同等质量情况下具有更好机械性能,对于推动可展桁架的发展具有一定的意义。由于可展桁架可以转换为连续梁等效模型,本文首先分析比较了锥形梁和等截面梁的强度、刚度性能,提出设计锥形可展桁架的可行性。对锥形可展桁架进行了构型设计和驱动设计,分析了锥形可展桁架的展开折叠机理。考虑到机构的复杂性,应用螺旋理论分析了单自由度锥形可展桁架的运动度,证明了单自由度可展桁架设计的正确性。利用机构综合理论,提出三自由度可展桁架的机构方案。分析了锥形可展桁架所必须满足的几何条件和折叠率等,并提出多种锥形可展桁架的设计方案。锥形可展桁架的各个杆件的截面面积、桁架锥度等参数对桁架性能影响很大,且不易直接观察,对其优化分析可以使桁架获得最优性能。首先建立优化数学模型,然后应用有限元分析软件ANSYS参数化设计语言APDL对桁架参数化建模并进行优化分析,得出优化结果。分别比较等刚度和等质量情况下锥形可展桁架可等截面桁架的相关性能,证明了锥形可展桁架可以获得较高的质量刚度比。分析了锥形可展桁架的模态性能,得出桁架的固有频率和对应的振型,航天器的控制频率应当避开桁架的固有频率,以免发生共振。建立单自由度可展桁架实体模型,应用ADAMS对其进行运动学分析,说明了桁架的展开过程,并得到桁架展开时的位移、速度、加速度曲线。对三自由度锥形可展桁架进行运动学分析,并用MATLAB获得仿真结果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 国内外的研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 课题来源及主要研究内容
• 1.3.1 课题的来源
• 1.3.2 课题的主要内容
• 第2章 锥形可展桁架的方案设计
• 2.1 引言
• 2.2 可展桁架设计的基本原理和主要技术指标
• 2.2.1 可展桁架设计的基本原理
• 2.2.2 可展桁架的主要技术指标
• 2.3 可展桁架的连续梁模型分析
• 2.3.1 可展桁架的理论模型
• 2.3.2 连续梁模型分析比较
• 2.4 锥形可展桁架方案设计
• 2.4.1 构型设计
• 2.4.2 驱动设计
• 2.4.3 桁架整体设计方案与展开过程分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 运动度和几何协调分析
• 3.1 引言
• 3.2 基于螺旋理论的单自由度锥形可展桁架的运动度分析
• 3.2.1 螺旋理论简介
• 3.2.2 单自由度锥形可展桁架的运动度分析
• 3.3 三自由度锥形可展桁架的方案分析
• 3.4 几何协调分析
• 3.5 变形设计
• 3.6 本章小结
• 第4章 结构优化设计与模态分析
• 4.1 引言
• 4.2 ANSYS及其参数化设计语言APDL概述
• 4.3 优化数学模型的建立
• 4.4 基于APDL的优化设计过程
• 4.5 优化结果及分析
• 4.5.1 优化设计结果
• 4.5.2 锥形桁架和等截面桁架比较分析
• 4.6 模态分析
• 4.6.1 模态分析简介
• 4.6.2 模态分析结果
• 4.7 本章小结
• 第5章 桁架展开过程运动学分析
• 5.1 引言
• 5.2 单自由度锥形可展桁架的ADAMS仿真
• 5.2.1 实体模型的建立
• 5.2.2 ADAMS简介及设计过程
• 5.2.3 仿真结果及分析
• 5.3 三自由度锥形可展桁架的运动学分析
• 5.3.1 可展单元的正解方程
• 5.3.2 可展单元的输出尺寸方程
• 5.3.3 桁架的正解分析
• 5.3.4 桁架的逆解分析
• 5.3.5 桁架的运动学分析
• 5.3.6 方程的数值解法
• 5.3.7 MATLAB仿真结果
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢