發(fā)布時(shí)間：2017-07-15 08:26

  本文關(guān)鍵詞：拋物面剛性可展結(jié)構(gòu)的可動(dòng)性判別與運(yùn)動(dòng)過程研究

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【摘要】：近年來,隨著航天事業(yè)的發(fā)展以及人們對(duì)信息需求的不斷增加,衛(wèi)星的信息傳輸能力的重要性日益凸顯,這對(duì)天線結(jié)構(gòu)的口徑提出了新的要求。拋物面剛性可展結(jié)構(gòu)憑借其機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度較高的優(yōu)點(diǎn)得到了越來越多的應(yīng)用。本文在總結(jié)國內(nèi)外鉸接桿系機(jī)構(gòu)研究成果的基礎(chǔ)上,提出了基于體系約束方程的可動(dòng)性判別方法。體系的約束方程包含了豐富的結(jié)構(gòu)信息,通過吳消元法或者數(shù)值解法對(duì)其求解,若約束方程有解且連續(xù),則體系可動(dòng),這也是體系可動(dòng)的充分必要條件。若體系不可動(dòng),則通過約束方程的一階分析確定體系為無窮小機(jī)構(gòu)或者結(jié)構(gòu),從而完整地區(qū)分了有限機(jī)構(gòu)、無窮小結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)。對(duì)有限機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究,通過約束方程的求解,分析了有限機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分岔現(xiàn)象。同時(shí)對(duì)約束方程求解迭代誤差進(jìn)行監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)極值點(diǎn)處求解的迭代誤差急劇增加,通過選擇較小的迭代步長可以避免機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)至不可行路徑。無窮小機(jī)構(gòu)是一類特殊的結(jié)構(gòu)體系,本文給出了基于時(shí)間域的無窮小機(jī)構(gòu)階次的定義與計(jì)算方法,通過Matlab編程實(shí)現(xiàn),避免了對(duì)高次方程的求解,并對(duì)一些典型的無窮小機(jī)構(gòu)算例進(jìn)行了計(jì)算。分析得到,若體系的無窮小階次為0,則體系不可動(dòng)；若體系無窮小階次大于0,則體系為無窮小機(jī)構(gòu)；若體系階次無窮大,則體系為有限機(jī)構(gòu),有限機(jī)構(gòu)可以看作無窮小機(jī)構(gòu)的特例。同時(shí),本文研究了無窮小機(jī)構(gòu)剛度隨其無窮小階次變化的趨勢(shì),發(fā)現(xiàn)對(duì)于同一類機(jī)構(gòu),其無窮小階次越高,則其結(jié)構(gòu)剛度越弱。當(dāng)結(jié)構(gòu)的無窮小階次足夠高時(shí),微小的干擾力可以使結(jié)構(gòu)發(fā)生低應(yīng)力變形,這就是無窮小機(jī)構(gòu)的可動(dòng)范圍,此時(shí)機(jī)構(gòu)成為與有限機(jī)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的柔順機(jī)構(gòu)。可以設(shè)計(jì)相應(yīng)的柔順機(jī)構(gòu),其工作原理與有限機(jī)構(gòu)類似,但不需額外的穩(wěn)定裝置。基于本文桿系結(jié)構(gòu)的研究,對(duì)拋物面剛性可展結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析。分別給出了常見的三角形板殼單元與四邊形板殼單元的約束方程。同時(shí),通過約束方程全部解的求解考慮結(jié)構(gòu)可能存在的多種運(yùn)動(dòng)路徑現(xiàn)象。考慮到非線性方程組求全部解的復(fù)雜性,本文基于簡(jiǎn)面體爬山法+通用全局優(yōu)化算法,采用數(shù)學(xué)軟件1stOpt對(duì)約束方程的全部解進(jìn)行求解。對(duì)于機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)路徑不單一,給出了增加約束、增加驅(qū)動(dòng)、對(duì)稱控制等3種不同的運(yùn)動(dòng)路徑選擇方式以保證運(yùn)動(dòng)路徑的唯一。最終形成單一運(yùn)動(dòng)路徑機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析,并與運(yùn)動(dòng)仿真軟件ProE校核。論文的最后對(duì)拋物面剛性可展結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化和設(shè)計(jì)。通過Miura折紙模型的優(yōu)化驗(yàn)證了優(yōu)化算法的正確性。從體系的自由度數(shù)出發(fā),本文的可展結(jié)構(gòu)采用四折痕以及五折痕的拓?fù)湫问健Ｎ逭酆勰Ｐ洼^四折痕模型自由度數(shù)多,但折疊效率高。分別對(duì)這兩種形式的平面模型進(jìn)行幾何參數(shù)分析,給出了優(yōu)化曲線,并通過優(yōu)化算法對(duì)空間模型進(jìn)行了優(yōu)化。在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中,通過節(jié)點(diǎn)的偏移保證了節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易性,同時(shí)通過對(duì)反射面與轉(zhuǎn)動(dòng)軸相對(duì)位置的選擇以及反射面分塊的處理避免了曲面板件的碰撞。最后分別設(shè)計(jì)了四折痕以及五折痕拋物面剛性可展結(jié)構(gòu)。
【關(guān)鍵詞】：拋物面剛性可展結(jié)構(gòu) 有限機(jī)構(gòu) 可動(dòng)性 運(yùn)動(dòng)過程 優(yōu)化設(shè)計(jì)
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：V414
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 緒論10-20
• 1.1 前言10
• 1.2 可展結(jié)構(gòu)10-11
• 1.3 可展天線結(jié)構(gòu)分類11-15
• 1.3.1 幾類反射面天線11-13
• 1.3.2 幾種典型的拋物面剛性可展結(jié)構(gòu)13-15
• 1.4 機(jī)構(gòu)理論的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀15-17
• 1.5 本文的主要研究工作17-20
• 第2章 機(jī)構(gòu)可動(dòng)性判別與無窮小機(jī)構(gòu)階次分析20-48
• 2.1 兩種幾何穩(wěn)定性理論20-22
• 2.1.1 平衡矩陣?yán)碚?/span>20
• 2.1.2 切線剛度矩陣?yán)碚?/span>20-21
• 2.1.3 本章思路21-22
• 2.2 有限機(jī)構(gòu)22-33
• 2.2.1 鉸接桿系體系22-26
• 2.2.2 有限機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分岔現(xiàn)象26-27
• 2.2.3 有限機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)極值點(diǎn)27-30
• 2.2.4 剪式鉸單元30-32
• 2.2.5 有限機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程描述32-33
• 2.3 無窮小機(jī)構(gòu)33-39
• 2.3.1 無窮小機(jī)構(gòu)的定義33-34
• 2.3.2 無窮小機(jī)構(gòu)階次的判定34-35
• 2.3.3 無窮小機(jī)構(gòu)階次判斷的編程實(shí)現(xiàn)35-39
• 2.4 高階無窮小機(jī)構(gòu)的剛度與運(yùn)動(dòng)特性分析39-46
• 2.4.1 無窮小機(jī)構(gòu)的剛度判斷39-41
• 2.4.2 無窮小機(jī)構(gòu)的可動(dòng)范圍41-46
• 2.5 本章小結(jié)46-48
• 第3章 拋物面剛性可展結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程分析48-60
• 3.1 板殼單元的幾何描述48-52
• 3.1.1 空間三角形板殼單元48
• 3.1.2 空間四邊形板殼單元48-50
• 3.1.3 算例50-52
• 3.2 板殼機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)路徑求解52-54
• 3.3 單自由度體系運(yùn)動(dòng)路徑分析54-55
• 3.4 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)路徑的選擇55-57
• 3.5 拋物面剛性可展結(jié)構(gòu)單一運(yùn)動(dòng)路徑的求解以及PRoE仿真57-58
• 3.6 本章小結(jié)58-60
• 第4章 拋物面剛性可展結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與設(shè)計(jì)60-80
• 4.1 四折痕折紙模型(MIURA折紙)的優(yōu)化60-62
• 4.2 拋物面剛性可展結(jié)構(gòu)的優(yōu)化62-72
• 4.2.1 四折痕拋物面剛性可展結(jié)構(gòu)平面模型的優(yōu)化63-66
• 4.2.2 空間四折痕拋物面剛性可展結(jié)構(gòu)的優(yōu)化66-68
• 4.2.3 五折痕拋物面剛性可展結(jié)構(gòu)平面模型的優(yōu)化68-70
• 4.2.4 空間五折痕拋物面剛性可展結(jié)構(gòu)的優(yōu)化70-72
• 4.3 拋物面剛性可展結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)72-78
• 4.3.1 考慮板件厚度的設(shè)計(jì)72-74
• 4.3.2 拋物面剛性可展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案74-77
• 4.3.3 拋物面剛性可展結(jié)構(gòu)縮尺3D打印模型77-78
• 4.4 本章小結(jié)78-80
• 第5章 結(jié)論與展望80-82
• 5.1 全文總結(jié)80-81
• 5.2 展望81-82
• 參考文獻(xiàn)82-86
• 攻讀碩士學(xué)位期間所發(fā)表的學(xué)術(shù)論文86-88
• 致謝88

【參考文獻(xiàn)】

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中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 陸金鈺;動(dòng)不定結(jié)構(gòu)的平衡矩陣分析方法與理論研究[D];浙江大學(xué);2008年

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本文編號(hào)：543131