空間可展結構展開過程動力學理論分析、仿真及試驗.pdf

1、可展結構作為一種新型結構形式,近些年來在宇航、建筑結構和軍事工程等領域的應用越來越廣泛,根據其用途不同可分為空間可展結構和地面可展結構. 基于某幾個科研項目,本文對空間可展結構展開過程動力學理論分析、仿真及試驗進行了深入系統(tǒng)的研究. 論文首先查閱了國內外大量相關文獻,總結了國內外空間可展結構的應用情況及其展開過程研究現狀,對課題的研究意義和研究思路進行了說明. 接著闡述了空間可展結構展開過程分析的理論基礎.對于在

2、展開分析中具有重要應用的Moore-Penrose廣義逆矩陣理論,詳細介紹了其定義、求解方法、性質和應用.給出了可展結構運動學關系和準靜態(tài)的形態(tài)解析方法,討論了幾何約束高階項對展開分析精度的影響. 周邊環(huán)形桁架式可展天線具有收縮比大、重量輕的優(yōu)點,已成為各國竟相研究的重點天線結構形式.為了對其展開過程進行動力學分析,結合縮比模型的制作簡介了該天線結構設計過程,包括可動構件設計、桿件和驅動索設計、支撐索網設計等方面,闡述了其展開收

3、納機理.以笛卡兒坐標系下節(jié)點的自然坐標為未知量,建立了可展結構系統(tǒng)的動力學普遍方程,利用約束雅可比矩陣的零空間正交基引入一組準速率,得到獨立的用于展開過程分析的動力學微分方程,結合廣義逆矩陣與多體動力學理論分析可展桁架結構的展開運動過程.重點研究了約束系統(tǒng)動力學方程的建立及求解、計入庫侖摩擦的展開過程動力學分析、結構各類約束條件下約束方程及其雅可比矩陣的建立、約束方程雅可比矩陣的討論、數值誤差的主動校正等,求得結構展開運動過程各特征參數

4、的數值解,為結構設計優(yōu)化提供了依據. 對扭簧驅動四面體單元構架式可展天線結構設計進行了簡要介紹,包括展開狀態(tài)和收縮狀態(tài)的形狀拓撲；推導了扭簧驅動可展結構的展開動力學方程,方程能夠反映展開過程中驅動力的變化情況；根據結構展開收納機理,推導了該類可展結構的約束方程及其雅可比矩陣,特別針對該系統(tǒng)中出現的單向約束問題,提出了"預測一鎖定"的計算方法,給出了程序流程圖；結合實際結構的運動特性,分析了粘性摩擦對結構展開的影響；給出了構架式拋

5、物面天線的形面精度計算方法,其可以預測不同彈簧剛度及結構設計對結構展開可靠性的影響；此外,論文還對最小可展開扭簧剛度進行了探討. 給出了在可展桁架結構展開分析中考慮彈性變形的計算方法.從可展桁架結構的運動學關系和平衡方程出發(fā),基于廣義逆矩陣理論提出了可展桁架結構機構運動和彈性變形混合分析方法,解決了機構運動和彈性變形的耦合問題. 用細分的平面三角形單元組成的折板近似殼體的幾何形狀,將三角形板殼單元用兩邊和其夾角來描述,提

6、出了可展板殼結構的運動學分析和求解剛體位移的基礎方程式,然后結合廣義逆矩陣理論和動力學普遍方程分析了可展板殼結構的展開過程,給出了結構展開動力學分析的詳細方法.對常應用于空間可展板殼結構單元劃分的平面四邊形單元的運動學關系和剛體位移也進行了推導.給出了考慮可展板殼結構展開過程中彈性變形的近似方法,并應用仿真算例驗證了分析方法的有效性. 基于空間可展結構理論分析方面的研究成果,探討了具備自身圖形平臺空間可展結構展開動力學仿真軟件的

7、開發(fā),對開發(fā)過程中涉及的關鍵問題進行了描述,如系統(tǒng)框架、數據結構、類的構造與層次、核心分析模塊的編制原理、可視化的實現過程等.運用VC++、MATL,AB、OpenGL混合編程技術開發(fā)出空間可展結構展開動力學仿真軟件(DSDSP)一套,用不同可展結構設計數據對該軟件進行了測試,并將仿真算例結果與解析解、ADAMS分析解進行了對比,測試結果表明該軟件分析過程正確,基本功能完整,錯誤處理恰當,操作流程方便. 在進行了理論分析和仿真軟