基于SMA的空间解锁机构研制

论文摘要

太阳帆板是航天器的主要供能系统。航天器从发射到入轨的过程中,太阳帆板经历了折叠固定到解锁展开两个阶段。本文研制的基于形状记忆合金（Shape Memory Alloy）的空间解锁机构,可以保证太阳帆板可靠固定及顺利解锁。本文在国防重点实验室自主课题的资助下,进行设计及研制工作,主要完成了如下的研究内容:首先,建立了SMA驱动器的实际模型,同时利用SMA的本构模型,推导出驱动器的一维数学模型。在Joule效应的基础上进一步推导出SMA通电加热的温度-时间关系,最终得到SMA-弹簧驱动器通电回复过程中应力、应变、温度、时间之间的数学关系,这为为实际的驱动器设计提供了理论基础。其次,设计出SMA空间解锁机构的本体结构,并进行加工。该结构采用吊钩锁紧方式,配合弹簧的预紧力,保证了机构连接的可靠性。基于上述数学模型,本文以解锁时间最短、解锁位移合适为主要设计原则,完成了驱动器元件的参数设计。基于ADAMS对解锁机构进行运动仿真,对其解锁速度进行检测,验证了方案的可行性。为了优化解锁机构地面试验效果,按地面试验条件对机构进行运动仿真,确定了影响机构性能的最大因素。对机构进行了强度校核,并确定了机构最大许用载荷。最后,基于仿真分析结果,搭建了解锁机构试验吊挂装置,可模拟解锁机构空间动作响应。设计了实验测试电路,可实现对解锁机构位移的精确测量,从而判定准确的解锁时间,达到测试机构性能的目的。实验结果表明:本文研制的基于SMA的空间解锁机构可实现解锁功能要求,并且具有良好的解锁同步性,机构质量轻、体积小、可重复使用。

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 国内外在该方向的研究现状及分析
• 1.2.1 国外形状记忆合金空间解锁机构研究现状
• 1.2.2 国内形状记忆合金空间解锁机构研究现状
• 1.3 形状记忆合金材料基本性能
• 1.3.1 形状记忆效应
• 1.3.2 形状记忆合金的分类
• 1.3.3 两种记忆合金特性的比较
• 1.3.4 影响形状记忆合金性能的因素
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 形状记忆合金驱动器数学建模
• 2.1 引言
• 2.2 形状记忆合金驱动器的驱动模式
• 2.3 形状记忆合金本构模型
• 2.4 形状记忆合金驱动器的本构模型
• 2.4.1 恒温的应力-应变关系
• 2.4.2 形状记忆效应本构关系
• 2.4.3 形状记忆合金驱动器一维本构关系
• 2.5 形状记忆合金驱动器温度响应特性
• 2.5.1 形状记忆合金温度响应特性
• 2.5.2 驱动器的应力-温度-应变关系
• 2.5.3 驱动器的应力-时间-应变关系
• 2.6 本章小结
• 第3章 形状记忆合金空间解锁机构总体设计
• 3.1 引言
• 3.2 形状记忆合金空间解锁机构结构设计
• 3.3 形状记忆合金的性能测试
• 3.3.1 材料与试验样品的制备
• 3.3.2 相变温度测量
• 3.3.3 NiTi 合金的弹性模量测量
• 3.3.4 最大残余变形的测定
• 3.3.5 相变临界应力测定
• 3.4 弹簧驱动元件设计
• 3.4.1 弹簧初始参数的确定
• 3.4.2 弹簧的设计计算
• 3.5 本章小结
• 第4章 形状记忆合金空间解锁机构仿真分析
• 4.1 引言
• 4.2 空间解锁机构的动力学分析
• 4.2.1 仿真系统建模
• 4.2.2 动力学仿真结果与分析
• 4.3 空间解锁机构的强度校核
• 4.4 本章小结
• 第5章 实验系统设计及机构方案验证
• 5.1 引言
• 5.2 实验装置结构设计
• 5.2.1 实验装置结构设计
• 5.2.2 实验框架的搭建
• 5.2.3 实验辅助滑动装置设计
• 5.2.4 太阳帆板展开机构设计
• 5.3 空间解锁机构性能检测
• 5.3.1 检测电路设计
• 5.3.2 空间解锁机构实验测试
• 5.3.3 空间解锁机构地面吊挂试验测试
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢