空间5R与4R1S单闭环可折展机构的分析与优化研究

论文摘要

在航天领域中,各类宇航空间机构应用十分广泛。随着航天技术发展和需求的不断升级,宇航空间机构的尺寸越来越大,但是作为航天运载器的火箭或者航天飞机的有效荷载舱却严重受限于燃料和成本等问题。空间可折展机构就是为了解决这对矛盾。在火箭发射之前,空间可展机构在整流罩内处于一种高度折叠的状态,在达到预定轨道后,空间可展机构再展开为需要的工作形态。本文对一类铰接桁架式的二维可展机构进行了研究。本文首先对只含旋转副和球副的单闭环机构进行自由度综合,挑选出含有4个旋转副1个球副的机构以及与其同源的含5个旋转副的机构作为具有可展特性的基本单元。并用李群-李代数表示法详细分析了其自由度,得出4R1S机构和5R机构都具有单自由度,且5R机构是一个典型的过约束机构。在得到基本折展单元后,将其作为基本模块,经组装,可无限扩展为大尺度的空间可展机构。在确定将4R1S和5R两种基本折展单元作为机构方案后,对其进行运动学分析和动力学分析。首先,建立基本单元的D-H坐标系,通过坐标变换的方式得出杆件之间的运动关系,以4R1S机构的球心为运动描述点得到了它的运动轨迹、运动学速度、加速度等。再分析两个模块之间的连接机构,得到总体的运动学关系。其次,分别将杆件弹性和铰链间隙作为影响机构动态特性的主要因素,建立了四种动力学模型。用MSC.ADAMS软件进行了对比,验证了所建立的含铰链间隙模型的可用性。将两种方案进行综合对比,并得出一般意义上过约束机构和含球副机构在动力学上的优缺点。本文的最后针对两种动力学模型,通过改变机构的偏距和杆径分配,分别对质量和一阶固有频率进行参数优化。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 研究的目的和意义
• 1.3 国外空间大尺度可折展机构的研究现状和成果
• 1.4 我国近年来对于空间可折展机构的研究现状和成果
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第2章 可展机构的综合与构型选择
• 2.1 机构综合
• 2.1.1 拓扑综合
• 2.1.2 副型综合
• 2.1.3 自由度综合
• 2.2 单元构型选择
• 2.3 可折展模块的确定
• 2.4 模块扩展方式的确定
• 2.5 机构折展性能的判定
• 2.6 本章小结
• 第3章 运动学分析
• 3.1 单元运动学分析
• 3.1.1 坐标系的建立
• 3.1.2 坐标系的转换
• 3.1.3 轨迹、速度、加速度分析
• 3.1.4 误差分析
• 3.2 大网络运动学分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 动力学分析
• 4.1 刚体动力学
• 4.1.1 模型的建立
• 4.1.2 计算与分析
• 4.2 有限元模型
• 4.2.1 模型的建立
• 4.2.2 计算与分析
• 4.3 含铰链间隙模型
• 4.3.1 模型的建立
• 4.3.2 计算与分析
• 4.4 计及铰链间隙的有限元模型简介
• 4.5 5R机构和 4R1S机构的性能综合评判
• 4.6 本章小结
• 第5章 机构的动力学优化设计
• 5.1 刚体模型的优化
• 5.2 有限元模型的优化
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢