我國是航天事業(yè)大國,在航天領域取得了卓越的成就。太陽帆作為航天器進入太空的主要能量來源,對于航天器在太空正常運行起著關鍵作用,同時其展開過程對于航天器的姿態(tài)控制也有一定影響。近年來,由于太陽帆展開故障造成航天器事故的事件時有發(fā)生,對航天器的正常運行造成了威脅。太陽帆一般由數(shù)塊太陽板鉸接而成,由于一般傳統(tǒng)鉸鏈的連接位置有空隙,在轉動過程中有摩擦、磨損,需要潤滑,會造成一定程度的沖擊和振動,影響航天器的姿態(tài)控制與正常工作。柔性鉸鏈可以很好地避免這些問題,利用材料本身的變形來提供驅動力。為了進行單轉動自由度柔性鉸鏈的設計,基于旋量理論和FACT(Freedom and Constraint Topologies)理論,定義了約束空間、交點和交距的概念,考慮約束位置和變形形式對柔性鉸鏈的不同影響,對桿板約束條件下單轉動自由度柔性鉸鏈進行了系統(tǒng)分類,在此基礎上,給出了桿、板約束的添加規(guī)則。結合柔性單元的串并聯(lián)關系,設計了三種單轉動自由度大轉角柔性鉸鏈。為了分析所設計柔性鉸鏈的力學特性,以期獲得更優(yōu)的特性,采用偽剛體法、能量法以及柔性單元的串并聯(lián)關系,建立了柔性鉸鏈的轉動剛度與徑向剛度數(shù)學模型。并把該柔性鉸鏈的尺寸參數(shù)作為設計變量,以邊界約束、尺寸關系和性能約束為約束條件,在保證一定徑向剛度的前提下,以提高轉動能力為目標,利用該柔性鉸鏈的等效剛度模型建立了柔性鉸鏈的優(yōu)化數(shù)學模型。采用多目標優(yōu)化方法對該柔性鉸鏈的設計參數(shù)進行了優(yōu)化。通過優(yōu)化前后柔性鉸鏈的性能的對比分析,可得優(yōu)化后柔性鉸鏈的轉動能力和徑向剛度有了明顯的提高。在Ansys中建立了三種柔性鉸鏈的有限元模型,使用有限元仿真分析其轉動剛度和徑向剛度,通過仿真值和理論值的對比驗證了剛度模型的正確性。針對組合式柔性鉸鏈,搭建實驗平臺,采用扭矩傳感器、電渦流位移傳感器以及NI等設備進行數(shù)據(jù)采集與研究。測試了組合式柔性鉸鏈的轉動剛度和徑向剛度,通過剛度實驗,進一步驗證了柔性鉸鏈剛度模型的正確性。通過Solidworks三維建模軟件建立了衛(wèi)星本體、太陽板、柔性鉸鏈等關鍵零部件的實體模型。運用Adams動力學軟件對太陽帆的展開和鎖緊過程進行了仿真研究,經(jīng)過分析可以得出太陽帆可以實現(xiàn)平穩(wěn)展開和鎖定。總體而言,本文就柔性鉸鏈替代傳統(tǒng)鉸鏈實現(xiàn)太陽帆的平穩(wěn)展開,在理論、仿真與試驗方面進行了較為深入的研究。為單轉動自由度柔性鉸鏈設計提供了設計規(guī)則,為三種柔性鉸鏈的設計與優(yōu)化提供了理論基礎,同時對組合式柔性鉸鏈進行了實驗分析,并將其進行了太陽帆展開的動力學分析,實現(xiàn)了平穩(wěn)展開與鎖定。
【學位單位】：太原理工大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：V442
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第一章 緒論
    1.1 課題的研究背景及意義
    1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
        1.2.1 柔性鉸鏈的研究現(xiàn)狀
        1.2.2 柔性鉸鏈的性能指標
        1.2.3 當前研究存在的主要問題
    1.3 課題研究內(nèi)容及技術路線
第二章 單轉動自由度柔性鉸鏈設計方案
    2.1 設計方法綜述
    2.2 桿板約束添加理論基礎
    2.3 桿約束情況下約束的添加規(guī)則
        2.3.1 桿約束條件下柔性鉸鏈的分類
        2.3.2 桿約束的添加
    2.4 板約束情況下約束的添加規(guī)則
        2.4.1 板約束條件下柔性鉸鏈的分類
        2.4.2 板約束的添加和串并聯(lián)關系
    2.5 大轉角柔性鉸鏈的設計
    2.6 本章小結
第三章 柔性鉸鏈剛度計算與結構優(yōu)化
    3.1 柔性鉸鏈計算基礎
    3.2 三種柔性鉸鏈的剛度計算
        3.2.1 S型折疊式柔性鉸鏈剛度計算
        3.2.2 一種折疊式柔性鉸鏈剛度計算
        3.2.3 一種組合式柔性鉸鏈剛度計算
    3.3 兩種柔性鉸鏈的結構優(yōu)化
        3.3.1 折疊式柔性鉸鏈的結構優(yōu)化
        3.3.2 組合式柔性鉸鏈的結構優(yōu)化
    3.4 本章小結
第四章 柔性鉸鏈有限元仿真與實驗分析
    4.1 柔性鉸鏈有限元仿真分析
        4.1.1 S型折疊式柔性鉸鏈
        4.1.2 一種折疊式柔性鉸鏈
        4.1.3 一種組合式柔性鉸鏈
    4.2 組合式柔性鉸鏈的實驗研究
        4.2.1 實驗方案的設計
        4.2.2 實驗器材的選擇
        4.2.3 實驗數(shù)據(jù)的測試與分析
    4.3 本章小結
第五章 航天器太陽帆展開分析
    5.1 太陽帆展開與鎖定的工作原理
    5.2 太陽帆結構設計
    5.3 太陽帆展開機構設計建模
    5.4 太陽帆展開仿真分析
        5.4.1 Adams仿真模型的建立
        5.4.2 展開仿真分析
        5.4.3 鎖定仿真分析
        5.4.4 對衛(wèi)星姿態(tài)的影響
    5.5 桿展開實驗研究
    5.6 本章小結
第六章 結論與展望
    6.1 結論
    6.2 展望
參考文獻
致謝
攻讀碩士學位期間發(fā)表的學術論文、專利及參與的項目

【參考文獻】

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本文編號：2889944