本文關(guān)鍵詞：可展開四棱錐單元構(gòu)型綜合與模塊化陣面天線機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

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【摘要】：星載合成孔徑雷達(dá)(SAR)廣泛應(yīng)用于高分辨率對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域。近年來,更高觀測(cè)分辨率和更大成像幅寬的發(fā)展趨勢(shì)致使SAR陣面尺寸越來越大,需要應(yīng)用可展開機(jī)構(gòu)對(duì)SAR陣面進(jìn)行展開和支撐,以滿足大型SAR天線可展收、高剛度和高精度的性能要求。未來的星載SAR陣面長(zhǎng)度將達(dá)數(shù)十米,迫切需要發(fā)展一種新型模塊化可拓展的可展開機(jī)構(gòu)。同時(shí),模塊化可展開機(jī)構(gòu)是一類多閉環(huán)、柔性度較高的復(fù)雜空間機(jī)構(gòu),具有一些不同于其他類型機(jī)構(gòu)的特征。它的一些未被解決的共性問題,如拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)描述與分析方法、過約束構(gòu)型的綜合方法、設(shè)計(jì)參數(shù)與約束關(guān)聯(lián)性解耦的設(shè)計(jì)方法、展開過程準(zhǔn)確分析和指標(biāo)描述手段等,仍制約著可展開機(jī)構(gòu)技術(shù)發(fā)展與工程應(yīng)用。本文首先提出一種可展開機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)的三步法:1)概念設(shè)計(jì)構(gòu)型提出;2)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析;3)運(yùn)動(dòng)副的確定。根據(jù)宇航可展開機(jī)構(gòu)應(yīng)用情況,對(duì)本文所研究的可展開機(jī)構(gòu)單元進(jìn)行定義和分類。建立以加權(quán)圖譜和加權(quán)鄰接矩陣來表達(dá)可展開單元概念設(shè)計(jì)構(gòu)型,進(jìn)而提出可展開單元概念設(shè)計(jì)構(gòu)型的生成流程A和B;以拓?fù)鋱D描述可展開單元各構(gòu)件間連接關(guān)系,并提出構(gòu)建可展開單元拓?fù)鋱D的流程C;給出可展開單元運(yùn)動(dòng)副分配的原則,進(jìn)而提出可展開單元運(yùn)動(dòng)副確定流程(流程D)。根據(jù)流程A-D,系統(tǒng)的對(duì)空間四棱錐可展開單元進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì),得到11種可收攏到平面狀態(tài)的新型可展開四棱錐單元�；诼菪碚�,對(duì)含過約束的可展開四棱錐單元進(jìn)行系統(tǒng)的綜合。分析了可展開四棱錐單元可能的過約束情況,并給出其旋量表示�；谔摴υ�,推導(dǎo)可展開機(jī)構(gòu)過約束下可連續(xù)折展的條件,進(jìn)而提出含過約束可展開機(jī)構(gòu)構(gòu)型綜合流程�；谠摿鞒�,分別對(duì)十二種公共約束下和冗余約束下四棱錐可展開單元進(jìn)行系統(tǒng)的綜合,得到28種新型可收攏于平面的過約束可展開四棱錐單元,通過動(dòng)力學(xué)仿真驗(yàn)證了這些可展開單元能夠按照指定自由度進(jìn)行折展運(yùn)動(dòng)。根據(jù)上述可展開機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和綜合方法,提出模塊化可展開機(jī)構(gòu)單元方案,對(duì)單元方案進(jìn)行模糊評(píng)價(jià)和優(yōu)選,進(jìn)而提出大型模塊化陣面天線可展開機(jī)構(gòu)方案。建立展開運(yùn)動(dòng)分析模型,對(duì)可展開機(jī)構(gòu)各環(huán)路運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)和奇異位形進(jìn)行分析和解耦,并以三次多項(xiàng)式為驅(qū)動(dòng)函數(shù)規(guī)劃出可平穩(wěn)無奇異展開的軌跡,解決了可展開機(jī)構(gòu)展開過程中存在奇異位形的問題。并通過運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真驗(yàn)證了該分析模型的準(zhǔn)確性。提出可展開機(jī)構(gòu)展開過程動(dòng)力學(xué)分析的等效模型,大大簡(jiǎn)化了動(dòng)力學(xué)建模和求解的同時(shí)準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)展開過程所需的驅(qū)動(dòng)力矩。同時(shí)為了分析可展開機(jī)構(gòu)真實(shí)展開過程,建立了考慮接觸摩擦的柔性可展開機(jī)構(gòu)展開分析模型。分析結(jié)果表明,當(dāng)考慮構(gòu)件柔性時(shí),模塊化陣面天線可展開機(jī)構(gòu)在展開初始加速和末了減速階段會(huì)出現(xiàn)四塊天線面板展開不同步的現(xiàn)象。提出展開同步性、穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)力矩和最大變形能3個(gè)性能指標(biāo),用于定量的描述可展開機(jī)構(gòu)展開性能�；陧憫�(yīng)面理論,建立性能指標(biāo)的數(shù)學(xué)表達(dá)式。進(jìn)而提出以性能指標(biāo)為優(yōu)化目標(biāo),設(shè)計(jì)和配比輔助驅(qū)動(dòng)彈簧的方法解決展開不同步的問題。研究表明,優(yōu)化后模塊化可展開機(jī)構(gòu)展開同步性明顯好轉(zhuǎn)。分別對(duì)可展開機(jī)構(gòu)發(fā)射狀態(tài)模態(tài)、工作狀態(tài)模態(tài)和在軌熱變形進(jìn)行有限元分析。分析了各鉸鏈?zhǔn)欠矜i定及其各方向上的剛度對(duì)系統(tǒng)基頻的影響。開展以在軌熱變形和質(zhì)量最小化為目標(biāo)、基頻不變?yōu)榧s束,以各桿件壁厚和熱膨脹系數(shù)為變量的優(yōu)化設(shè)計(jì)。進(jìn)而根據(jù)優(yōu)化結(jié)果設(shè)計(jì)出陣面天線模塊化可展開機(jī)構(gòu)�？蓪�(shí)現(xiàn)技術(shù)指標(biāo):展開尺寸15000mm×1400mm、收攏尺寸Φ2400mm×2250mm、工作基頻2.89Hz、發(fā)射基頻36Hz、展開時(shí)間4.2min、重復(fù)精度2.658°(原理樣機(jī))、在軌熱變形0.86mm、質(zhì)量72kg。最后,研制出二分之一兩模塊原理樣機(jī)。原理樣機(jī)重復(fù)展開實(shí)驗(yàn)表明本文所提的設(shè)計(jì)和分析方法合理、有效。
【關(guān)鍵詞】：陣面天線 展開機(jī)構(gòu) 四棱錐單元 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 構(gòu)型綜合 展開分析
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：V443.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-15
• 第1章 緒論15-30
• 1.1 課題來源及研究的目的和意義15-16
• 1.1.1 課題的來源15
• 1.1.2 研究的目的和意義15-16
• 1.2 可展開機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程16-17
• 1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析17-27
• 1.3.1 星載SAR陣面天線及其可展開機(jī)構(gòu)17-21
• 1.3.2 可展開機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法21-25
• 1.3.3 可展開機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究25-26
• 1.3.4 國(guó)內(nèi)可展開機(jī)構(gòu)研究現(xiàn)狀26-27
• 1.4 可展開機(jī)構(gòu)研究現(xiàn)狀簡(jiǎn)析27-28
• 1.5 本文的主要研究?jī)?nèi)容28-30
• 第2章 平面折疊型可展開四棱錐單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析30-50
• 2.1 引言30
• 2.2 可展開機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成30-32
• 2.2.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)經(jīng)典分析方法30-31
• 2.2.2 本文所研究的可展開機(jī)構(gòu)31-32
• 2.3 概念設(shè)計(jì)構(gòu)型32-38
• 2.3.1 穩(wěn)定桁架結(jié)構(gòu)建立32-35
• 2.3.2 概念設(shè)計(jì)構(gòu)型建立35-37
• 2.3.3 同構(gòu)識(shí)別37-38
• 2.4 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析38-41
• 2.4.1 概念設(shè)計(jì)構(gòu)型的拓?fù)鋱D表示38-39
• 2.4.2 拓?fù)鋱D的構(gòu)建流程39-41
• 2.5 運(yùn)動(dòng)副的確定41-43
• 2.5.1 基本假設(shè)41
• 2.5.2 運(yùn)動(dòng)副確定的流程41-43
• 2.6 算例與結(jié)果43-49
• 2.6.1 算例43-45
• 2.6.2 結(jié)果與討論45-49
• 2.7 本章小結(jié)49-50
• 第3章 平面折疊型過約束可展開四棱錐單元構(gòu)型綜合50-73
• 3.1 引言50
• 3.2 過約束可展開單元的螺旋表示50-55
• 3.2.1 運(yùn)動(dòng)與約束的螺旋表示50-51
• 3.2.2 過約束分析51-52
• 3.2.3 過約束允許連續(xù)折展的條件52-55
• 3.3 公共約束存在下可展開單元綜合55-70
• 3.3.1 公共約束為旋量一系情況56-63
• 3.3.2 公共約束為螺旋二系情況63-66
• 3.3.3 公共約束為螺旋三系情況66-70
• 3.3.4 僅含公共約束綜合結(jié)果70
• 3.4 冗余約束存在下可展開單元綜合70-72
• 3.5 本章小結(jié)72-73
• 第4章 模塊化陣面天線可展開機(jī)構(gòu)方案生成與展開運(yùn)動(dòng)學(xué)分析73-91
• 4.1 引言73
• 4.2 模塊化可展開機(jī)構(gòu)方案73-80
• 4.2.1 單模塊概念設(shè)計(jì)73-74
• 4.2.2 基本單元設(shè)計(jì)與優(yōu)選74-79
• 4.2.3 可展開機(jī)構(gòu)方案生成79-80
• 4.3 展開運(yùn)動(dòng)分析80-83
• 4.3.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析模型80
• 4.3.2 展開角度80-82
• 4.3.3 雅克比矩陣82-83
• 4.4 運(yùn)動(dòng)奇異解耦83-89
• 4.4.1 奇異分析83-85
• 4.4.2 展開控制策略85-88
• 4.4.3 剪刀機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)88-89
• 4.5 展開運(yùn)動(dòng)仿真89-90
• 4.6 本章小結(jié)90-91
• 第5章 計(jì)及構(gòu)件柔性的陣面天線機(jī)構(gòu)展開動(dòng)力學(xué)分析與優(yōu)化91-110
• 5.1 引言91
• 5.2 展開過程剛體動(dòng)力學(xué)分析91-95
• 5.2.1 質(zhì)心運(yùn)動(dòng)91-92
• 5.2.2 動(dòng)力學(xué)方程92-93
• 5.2.3 驅(qū)動(dòng)力矩求解93-95
• 5.3 展開過程柔性動(dòng)力學(xué)分析95-100
• 5.3.1 柔性展開模型95-96
• 5.3.2 柔性展開特性96-99
• 5.3.3 優(yōu)化模型99-100
• 5.4 近似數(shù)學(xué)模型建立100-105
• 5.4.1 響應(yīng)面理論100-101
• 5.4.2 近似模型101-105
• 5.5 參數(shù)優(yōu)化105-108
• 5.5.1 優(yōu)化結(jié)果105-106
• 5.5.2 優(yōu)化前后對(duì)比106-108
• 5.6 本章小結(jié)108-110
• 第6章 模塊化陣面天線可展開機(jī)構(gòu)原理樣機(jī)研制與展開實(shí)驗(yàn)110-130
• 6.1 引言110
• 6.2 任務(wù)分析110-111
• 6.2.1 設(shè)計(jì)約束110-111
• 6.2.2 設(shè)計(jì)流程111
• 6.3 模塊化可展開機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析111-119
• 6.3.1 可展開機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)111-113
• 6.3.2 發(fā)射狀態(tài)模態(tài)分析113-114
• 6.3.3 工作狀態(tài)模態(tài)分析114-116
• 6.3.4 在軌熱變形分析116-119
• 6.4 原理樣機(jī)及實(shí)驗(yàn)119-128
• 6.4.1 原理樣機(jī)119-120
• 6.4.2 展開功能實(shí)驗(yàn)120-123
• 6.4.3 驅(qū)動(dòng)力矩測(cè)試123-124
• 6.4.4 重復(fù)精度測(cè)試124-125
• 6.4.5 基頻測(cè)試125-128
• 6.5 工程應(yīng)用128
• 6.6 本章小結(jié)128-130
• 結(jié)論130-132
• 參考文獻(xiàn)132-142
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果142-145
• 致謝145-147
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷147

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本文編號(hào)：1012978