隨著航天事業(yè)的不斷發(fā)展,使得在航天工程中越來越多地應(yīng)用到了各種大型在軌結(jié)構(gòu)。但是由于火箭內(nèi)部容積的限制,很多時候礙于尺寸問題,無法將預(yù)期的非折展機(jī)構(gòu)直接輸送到太空中,各類可折展機(jī)構(gòu)便在航天工程中得到了廣泛的應(yīng)用。而傳統(tǒng)的折展機(jī)構(gòu)在空間中應(yīng)用時,需要添加電機(jī)等設(shè)備來提供動力,且需要額外的鎖緊機(jī)構(gòu)來保持穩(wěn)定,使得機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,質(zhì)量偏大。本文設(shè)計出適用于空間折展機(jī)構(gòu)的柔性鉸鏈,使其能夠兼具動力及鎖定功能。為了得到能夠用于空間折展機(jī)構(gòu)的柔性鉸鏈,使用雙層圓環(huán)作為外框架,使用模塊法將弧形曲面板和長薄板作為柔性單元進(jìn)行組合,設(shè)計了一種雙層回轉(zhuǎn)型柔性鉸鏈。基于偽剛體法建立了轉(zhuǎn)動剛度及徑向位移剛度的理論模型。在ANSYS軟件中建立了有限元仿真模型,將理論值與仿真值對比,驗證了理論模型的正確性。引入帶狀彈簧作為柔性單元,在雙層回轉(zhuǎn)型柔性鉸鏈的基礎(chǔ)上,設(shè)計了兩種基于帶狀彈簧的回轉(zhuǎn)型柔性鉸鏈,并在ABAQUS軟件中對于鉸鏈中的帶狀彈簧進(jìn)行了靜力學(xué)分析,驗證了設(shè)計的可行性。之后使用ABAQUS中的顯示動力學(xué)模塊對鉸鏈的折疊及展開過程進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)仿真分析,得到了折展過程中的力矩變化曲線。最后設(shè)計實驗方案并搭建實驗臺,采用傳感器及采集設(shè)備測試柔性鉸鏈在展開過程中的力矩變化,及鉸鏈在穩(wěn)態(tài)狀況下的抗干擾能力,進(jìn)一步驗證了柔性鉸鏈的動力及穩(wěn)態(tài)鎖定功能。基于所提出的帶簧柔性鉸鏈,選取常見的平面三角形及矩形折展機(jī)構(gòu)單元進(jìn)行分析。使用ADAMS軟件對兩種折展機(jī)構(gòu)進(jìn)行了動力學(xué),模擬了機(jī)構(gòu)的展開過程,證明了帶簧柔性鉸鏈能夠在機(jī)構(gòu)中提供動力及鎖定功能。隨后設(shè)計了一種空間折展機(jī)構(gòu)單元,在ADAMS軟件中建立了該單元的動力學(xué)模型,模擬了其展開過程。將多個空間折展機(jī)構(gòu)單元連接,組合成一種具有折展功能的大型圓柱面空間機(jī)構(gòu)。本文就兼具動力及鎖定功能的柔性鉸鏈的設(shè)計及其在空間折展機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用,進(jìn)行了理論、仿真及實驗方面的研究。提出了可用于空間折展機(jī)構(gòu)的帶簧柔性鉸鏈,并進(jìn)行了分析及實驗;完成了折展機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計,進(jìn)行了機(jī)構(gòu)的動力學(xué)仿真,實現(xiàn)了機(jī)構(gòu)的展開及鎖定。
【學(xué)位單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TH112
【部分圖文】：

（1）“奮進(jìn)號”及其伸展臂[3]（2）俄羅斯四面體單元桁架[4]圖 1-1 美國及俄羅斯的折展機(jī)構(gòu)Fig.1-1American and Russian folding-unfolding institutions圖 1-2 日本伸展肋式折展天線[5]Fig.1-2 Japanese extended ribbed folded antenna2）國內(nèi)研究現(xiàn)狀

圖 1-2 日本伸展肋式折展天線[5]Fig.1-2 Japanese extended ribbed folded antenna狀月 24 日，“東方紅一號”衛(wèi)星發(fā)射成功，我國對于航于我國初期經(jīng)濟(jì)發(fā)展較為緩慢，再加上沒有認(rèn)識到，到 20 世紀(jì) 90 年代才開始了對可折展機(jī)構(gòu)的正式間站，加之衛(wèi)星的型號偏于中小型，使得相應(yīng)的大型“風(fēng)云一號”系列衛(wèi)星開始陸續(xù)登入太空，該系列兩道后對稱展開，屬于基本的鉸接式展開。而在 199三號”衛(wèi)星，在該衛(wèi)星上我國實現(xiàn)了一系列技術(shù)突破并且完成了 90°的轉(zhuǎn)動，圖 1-3(1)即為“東方紅三號二號”FY-2C 的成功發(fā)射更標(biāo)志著我國空間可展機(jī)構(gòu)

管其技術(shù)還處于起步階段。根據(jù)我國航天事業(yè)的發(fā)展規(guī)劃，新一代科學(xué)探測衛(wèi)星和站、空間平臺等，都需要口徑 5 m~20 m，工作頻率 2~22 GHz 的大型空間可展開天統(tǒng)和長度 60 m 以上的空間機(jī)械臂[6]。目前國內(nèi)從事可折展機(jī)構(gòu)研究的單位主要有：中國空間技術(shù)研究院 504 所、浙江、上海航天技術(shù)研究院 805 所、同濟(jì)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西安電子科技大學(xué)、工業(yè)大學(xué)、電子科技大學(xué)等。中國空間技術(shù)研究院第 504 所已完成了口徑 4.2 m 的肋天線原理樣機(jī)的研究，并且對 6 m×2.8 m 單元桁架式可展開天線的預(yù)研已經(jīng)接近。西安電子科技大學(xué)在 2010 年研制了一種環(huán)肋折展機(jī)構(gòu)樣機(jī)，該樣機(jī)口徑為 3 m， 1-3(2)所示。天線折展機(jī)構(gòu)主要由展開圓環(huán)、支撐肋桿、充氣圓管等結(jié)構(gòu)組成。展環(huán)由環(huán)關(guān)節(jié)連接成的環(huán)肋桿組成，支撐肋則由肋關(guān)節(jié)連接的短肋桿組成，并且每個中都有驅(qū)動展開與鎖定的裝置。驅(qū)動由扭簧驅(qū)動，關(guān)節(jié)處有齒輪來保證同步，后由銷來鎖定[7]。
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本文編號：2853716