套筒式伸展臂的设计与分析

论文摘要

套筒式伸展臂是最基本的可展开机构,作为一种有效的支撑结构,可以作为大型可展开天线、太阳帆和望远镜的支撑背架以及太空机械手臂等。本文对套筒式伸展臂进行了设计,对所设计样机的静力学和动力学特性进行了分析,并对样机进行了实验研究。在对国内外多种一维伸展臂研究的基础上,对其整体构型、传动方式和锁紧机构提出多种方案,通过比较选择了最优方案,根据最优方案进行了套筒式伸展臂的结构设计,推导了连续展开条件,使所设计伸展臂能够实现可重复展开和收拢的功能。针对所设计的套筒式伸展臂样机,运用Solidworks软件进行了样机三维模型的建立,模型导入Cosmos Works软件进行了有限元分析,研究了单个套筒的应力分布、刚度特性,以及导轨结构尺寸与刚度之间的关系,并分析了伸展臂在展开状态下采用5种不同垫片材料时的径向刚度特性,根据结果选择了合适的垫片材料,使伸展臂在完全展开状态具有较好的静力学特性。运用Cosmos Works软件对所设计的伸展臂样机进行了动力学研究,分析了单个套筒的模态以及导轨结构尺寸变化与模态之间的关系,分析了伸展臂在展开状态下采用5种不同垫片材料时的模态特性,并对收拢状态下的伸展臂在端部处于自由、负载、约束3种工作状态进行了模态分析,根据结果得到了不同工作状态下的振动特性,为伸展臂收拢状态时的安装和预紧提供理论依据。研制了套筒式伸展臂样机,对样机进行了实验研究,测试了所设计样机的伸展与收拢功能,测试了部分性能指标参数。这些为今后套筒式伸展臂的发展和实际应用奠定了理论基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 空间可展开机构的应用概述
• 1.3 课题的来源及研究的目的和意义
• 1.4 国内外在该方向的研究现状及分析
• 1.4.1 薄壁管式伸展臂
• 1.4.2 套筒式伸展臂
• 1.4.3 可卷曲式桁架
• 1.4.4 关节式桁架
• 1.5 本文主要研究内容
• 第2章 套筒式伸展臂的设计
• 2.1 套筒式伸展臂的设计要求
• 2.2 套筒式伸展臂的总体结构设计
• 2.2.1 展开机构整体结构方案研究
• 2.2.2 套筒式伸展臂的工作过程分析
• 2.2.3 套筒的结构设计
• 2.3 套筒式伸展臂的传动机构设计
• 2.3.1 传动机构方案研究
• 2.3.2 连续展开条件
• 2.3.3 丝杠的设计
• 2.4 套筒式伸展臂的锁紧和释放装置结构设计
• 2.4.1 锁紧机构设计原则和方案选择
• 2.4.2 锁紧机构的工作状态分析
• 2.4.3 锁紧机构的受力分析和设计
• 2.5 套筒式伸展臂驱动设计
• 2.6 本章小节
• 第3章 套筒式伸展臂样机的静力学有限元分析
• 3.1 有限元分析模型的建立
• 3.1.1 模型的简化与分析
• 3.1.2 网格的划分
• 3.2 单个套筒的静力学有限元分析
• 3.2.1 单个套筒的应力分析
• 3.2.2 单个套筒的刚度分析
• 3.3 套筒式伸展臂整体的静力学有限元分析
• 3.3.1 建模和网格化
• 3.3.2 套筒式伸展臂完全展开状态的应力和变形分析
• 3.4 本章小节
• 第4章 套筒式伸展臂样机的动力学有限元分析
• 4.1 单个套筒的模态分析
• 4.1.1 各级套筒的模态分析
• 4.1.2 导轨结构尺寸与模态之间关系分析
• 4.2 套筒式伸展臂整体模态分析
• 4.2.1 展开状态下的套筒式伸展臂的模态分析
• 4.2.2 收拢状态下的套筒式伸展臂的模态分析
• 4.3 本章小节
• 第5章 套筒式伸展臂样机的加工与测试
• 5.1 伸展臂样机各部件结构
• 5.1.1 套筒
• 5.1.2 传动机构
• 5.1.3 锁紧机构
• 5.1.4 驱动机构
• 5.1.5 基座与整体
• 5.1.6 零重力悬挂系统
• 5.2 样机展开与收拢过程实验与性能参数测试
• 5.2.1 伸展臂样机展开和过程测试
• 5.2.2 伸展臂性能参数测试
• 5.3 样机测试过程中出现的问题和改进建议
• 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
• 个人简历