搅拌摩擦焊技术是提高超大型运载制造水平的关键技术,而该技术的难点在于焊接工装夹具的设计。贮箱在实现最后一道封闭环缝焊接后,几何结构封闭,内撑夹具需要从3350mm直径收缩到500mm直径以内并通过人孔退出,同时还要满足高刚度、展开轨迹限制等要求,设计十分困难。现有的内撑夹具为手工拼装、拆卸方式,操作极其不便,存在诸多隐患,并且不适用于贮箱的立式装配工装。因此,现场迫切需要设计一种具备自动折展功能的内撑夹具,以解决现有手工夹具的诸多问题,并为未来重型运载火箭的立式装配工艺改进作预研。本文设计了一种新型的三自由度展开机构,并以此完成了内撑折展夹具的设计。进一步,对折展夹具的运动学特性进行了分析,建立了展开机构的运动学分析模型,分析了该机构的工作空间、奇异位形、展开轨迹,并制造了一个机构样机作为理论分析的验证。最后,分析了折展夹具的强度和刚度特性,完成了整个折展夹具的设计与分析工作。本文的主要研究成果如下:1.完成了折展夹具的机构设计工作。提出了一种新型的三自由度展开机构,设计出了满足折展比要求、展开轨迹要求的内撑夹具基本折展单元的机构构型。进一步完善了折展夹具的整体设计,完成了各部分的详细结构设计和元器件选型工作,绘制了折展夹具装备样机的详细三维模型。2.分析了折展夹具的运动学特性。采用全局指数积公式(POE)建立基本折展单元的运动学分析模型。采用旋量法推导了基本折展单元的速度雅克比矩阵,作为机构中奇异性判别的基础。计算出基本折展单元在满足连续性和物理可达性下的工作空间。在工作空间内,通过速度雅克比矩阵的行列式,判别出容易发生奇异的病态雅克比矩阵区域。根据定义的局部传动性能指标和全局传动性能指标,规划出折展夹具的展开轨迹。制作了一个机构样机,作为对理论分析的进一步验证。3.分析了折展夹具的强度和刚度特性。建立了贮箱筒段和箱底的校形分析模型,对最大校形力和焊缝区的校形效果进行分析。对基本折展单元中的关键构件和关节的强度进行校核,弹性变形量进行分析。分别建立了基本折展单元中各运动支链的刚度特性分析模型,得到每条支链的刚度特性曲线。通过机构各支链的主动控制补偿模型,对各支链的弹性变形误差进行补偿。本文的研究成果完成了内撑折展夹具的机构构型和详细结构设计、运动学特性分析以及强度和刚度特性分析,形成了一整套的设计与分析方法,目前已完成机构样机的设计制造,装备样机也已完成设计工作。