一种含V型杆的剪式可展开天线的动力学建模与优化

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:madeshabi
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由于现代社会对信息传递的需求迅猛增加,而卫星是信息传递的重要中继站,因而迫切需要增大星载天线的口径。然而受制于运载火箭的有限空间与载重量,大型天线只能以折叠态装入火箭中发射,到达轨道之后再展开,即所谓空间大型可展开天线。各国因空间大型可展开天线广阔的应用前景而大力发展相关技术。由于较高的设计要求和加工制造要求,我国空间大型可展开天线暂时停留在预设计阶段,同时,研究重点在于机构的可展开性和展开动力学分析。因此,本文提出一种新型的天线展开机构的概念设计,对其建立动力学模型并优化。本文提出一种闭环单自由度、包含一组V型杆和剪叉机构的基本展开单元机构。由于在闭环中设计了V型杆,该机构可应对空间极端热效应。剪叉机构在增大刚度的同时,用转动副替代了滑动副,大大降低了加工制造和养护难度。针对提出的基本可展开单元机构进行方案分析,建立运动学模型,分析其自由度、奇异性,探讨其多种组合方式。在此基础上,本文针对所提出的机构方案进行了展开动力学研究,分别建立了展开过程中的刚性和柔性的多体动力学模型。由于该机构单元为多闭环单元,动力学建模非常困难。在刚体动力学建模时,为回避复杂的单元内力计算,本文采用凯恩方法建模。通过该模型,在给定输出杆(可任取)运动规律情况下(因为机构是单自由度,已知任一杆的运动规律则其余杆的运动规律都可求得),可求出每一时刻的对应驱动力,可用于控制展开过程。在柔体动力学建模时,采用了刚柔耦合法建模,在给定驱动力规律时,可以求出末端的位移、速度和加速度。该模型清晰地了解到机构在力的作用下的颤抖,对于机构的设计有很大的指导意义。同时,可作为进一步分析如空间热效应、铰链间隙等非线性因素的基础。分析完展开过程,本文通过有限元方法对机构完全展开之后的静刚度与动刚度进行了研究,因为完全展开之后环形桁架的性能决定了天线工作的精度、稳定性与可靠性。在此基础上,结合前述研究,综合了各方面性能、造价等多种因素,对整个机构进行了参数化结构动力学优化设计,得到一组最佳设计参数。此外,基于以上研究内容,总结出了一些关于空间可展开天线的设计经验与规律。
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