空間可展結(jié)構(gòu)展開過程動力學(xué)理論分析、仿真及試驗.pdf

1、可展結(jié)構(gòu)作為一種新型結(jié)構(gòu)形式,近些年來在宇航、建筑結(jié)構(gòu)和軍事工程等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛,根據(jù)其用途不同可分為空間可展結(jié)構(gòu)和地面可展結(jié)構(gòu). 基于某幾個科研項目,本文對空間可展結(jié)構(gòu)展開過程動力學(xué)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(nèi)外大量相關(guān)文獻,總結(jié)了國內(nèi)外空間可展結(jié)構(gòu)的應(yīng)用情況及其展開過程研究現(xiàn)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(jié)構(gòu)展開過程分析的理論基礎(chǔ).對于在

2、展開分析中具有重要應(yīng)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(zhì)和應(yīng)用.給出了可展結(jié)構(gòu)運動學(xué)關(guān)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(jié)構(gòu)形式.為了對其展開過程進行動力學(xué)分析,結(jié)合縮比模型的制作簡介了該天線結(jié)構(gòu)設(shè)計過程,包括可動構(gòu)件設(shè)計、桿件和驅(qū)動索設(shè)計、支撐索網(wǎng)設(shè)計等方面,闡述了其展開收

3、納機理.以笛卡兒坐標(biāo)系下節(jié)點的自然坐標(biāo)為未知量,建立了可展結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動力學(xué)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(xué)微分方程,結(jié)合廣義逆矩陣與多體動力學(xué)理論分析可展桁架結(jié)構(gòu)的展開運動過程.重點研究了約束系統(tǒng)動力學(xué)方程的建立及求解、計入庫侖摩擦的展開過程動力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)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(shù)值誤差的主動校正等,求得結(jié)構(gòu)展開運動過程各特征參數(shù)

4、的數(shù)值解,為結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化提供了依據(jù). 對扭簧驅(qū)動四面體單元構(gòu)架式可展天線結(jié)構(gòu)設(shè)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(dǎo)了扭簧驅(qū)動可展結(jié)構(gòu)的展開動力學(xué)方程,方程能夠反映展開過程中驅(qū)動力的變化情況；根據(jù)結(jié)構(gòu)展開收納機理,推導(dǎo)了該類可展結(jié)構(gòu)的約束方程及其雅可比矩陣,特別針對該系統(tǒng)中出現(xiàn)的單向約束問題,提出了"預(yù)測一鎖定"的計算方法,給出了程序流程圖；結(jié)合實際結(jié)構(gòu)的運動特性,分析了粘性摩擦對結(jié)構(gòu)展開的影響；給出了構(gòu)架式拋

5、物面天線的形面精度計算方法,其可以預(yù)測不同彈簧剛度及結(jié)構(gòu)設(shè)計對結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)展開分析中考慮彈性變形的計算方法.從可展桁架結(jié)構(gòu)的運動學(xué)關(guān)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(jié)構(gòu)機構(gòu)運動和彈性變形混合分析方法,解決了機構(gòu)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(jié)構(gòu)的運動學(xué)分析和求解剛體位移的基礎(chǔ)方程式,然后結(jié)合廣義逆矩陣理論和動力學(xué)普遍方程分析了可展板殼結(jié)構(gòu)的展開過程,給出了結(jié)構(gòu)展開動力學(xué)分析的詳細方法.對常應(yīng)用于空間可展板殼結(jié)構(gòu)單元劃分的平面四邊形單元的運動學(xué)關(guān)系和剛體位移也進行了推導(dǎo).給出了考慮可展板殼結(jié)構(gòu)展開過程中彈性變形的近似方法,并應(yīng)用仿真算例驗證了分析方法的有效性. 基于空間可展結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)展開動力學(xué)仿真軟件的

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