空间环境下多铰可折展机构的非线性动力学建模与分析

本项目以空间多铰折展机构为研究对象，系统的研究了铰链非线性力学特性、折展机构刚柔耦合系统动力学建模、空间环境热变形与热模态分析、展开精度建模与分析、样机研制与动力学实验等科学问题。按照项目预期目标圆满完成了全部工作内容。取得主要成果如下： （1）基于赫兹接触力分布和铰链接触几何约束条件，建立了高精度铰链非线性接触力学模型；建立了铰链非线性动刚度及阻尼模型，分析了铰链间隙、接触变形、振动幅值和振动频率等对刚度、阻尼特性、碰撞响应的影响；基于描述函数法对铰链四种不同非线性特性进行了建模与分析；考虑空间高低温环境，对铰链准静态、动力学特性进行了高温、低温试验测试，验证了理论模型的正确性。 （2）提出了铰链等效热力学建模方法，建立了空间折展机构热变形与热模态分析模型。结合热弹性力学、静力学、几何学以及物理学，推导了折展机构热变形方程，分析了折展机构在不同温度场下的热变形；分析了温度场、热应力对折展机构基频和模态的影响，以热变形最小，形面精度最高为目标对折展机构杆件热膨胀系数进行了优化。 （3）引入考虑多因素非线性铰链模型，建立了空间折展机构非线性多柔体系统动力学模型。分析了铰链刚度、阻尼、外部激励等对折展机构动力学响应的影响；提出了基于弹性波理论的折展机构等效动力学建模方法，分析了铰链非线性动力学响应；基于有限元分析了空间一维伸展臂、平面天线机构、空间曲面天线机构的动力学特性及铰链刚度对机构基频的影响。 （4）基于误差独立作用原理，利用微分法建立折展机构精度模型。研究了单闭环、双闭环机构在各个杆件参数误差影响下的展开位置变化，得出了在不同驱动方式下杆件位置与输入参数误差对应关系及适合机构的驱动方式；基于误差传递函数和干涉条件，建立了机构的精度分配准则，并进行杆件精度分配。 （5）研制了空间一维伸展臂、三维曲面天线机构样机及微重力模拟试验装置，搭建了动力学测试平台，进行了动力学实验。测试了一维伸展臂、三维曲面天线机构的基频。对空间折展桁架机构进行了非线性动力学特性测试，识别了铰链非线性特征，验证了理论模型的正确性。 本项目共发表论文24篇，其中SCI论文4篇、EI论文20篇，申请国家发明专利8项，已授权4项。培养青年骨干教师及博士后1名、博士生4名、硕士生6名。参加国际学术会议8次，出国进行学术交流1次。本项目研究所取得的成果可为空间多铰折展机构的航天工程应用提供支撑。 2100433B

空间多铰可折展机构广泛应用在载人航天、月球探测、空间站、对地观测等太空活动中。空间微重力、高低温、真空环境及铰链非线性力学行为对可折展式机构的折展运动学与动力学带来很大影响。而目前对考虑空间多场耦合作用下的空间可折展机构非线性动力学方面研究较少且不够深入。本项目以空间多铰可折展机构的航天应用为背景，重点研究以下内容：（1）考虑空间环境的影响，研究铰链结构中间隙、摩擦、预载荷、接触变形、微位移、粘滑之间的相互作用机理，建立间隙-摩擦铰的非线性等效弹簧-阻尼模型；（2）空间冷热交变环境下多铰可折展机构热变形、热振动分析；（3）建立多场耦合作用下空间多铰可折展机构非线性动力学模型，对可折展机构动力学特性进行分析。（4）基于动力学模型，对空间多铰可折展机构动态展开精度进行分析。（5）通过仿真分析与地面模拟实验验证理论模型的正确性和可行性，为空间多铰可折展机构的工程应用提供基础性理论依据和技术支持。

《空间环境建模与可视化仿真技术》遵循理论与实践相结合的原则，采用理论分析与仿真实验相结合的方法，系统阐述了空间环境仿真的相关理论、方法、技术及应用。全书共12章，主要介绍了空间环境及其建模仿真理论，空间环境数值建模与仿真，空间环境三维建模与可视化仿真和基于HLA的分布式空间环境仿真应用。

全面完成了计划任务书中的内容，在大尺度可折展式机构创新设计、大型化组网、动力学建模与分析、可靠性、地面模拟与测试等科学问题取得重要进展，突破了多项关键技术，掌握了具有自主知识产权的理论与技术成果。主要创新性成果如下： 1. 融合图论、螺旋理论、李群理论，提出了空间折展机构拓扑与运动学综合方法，建立了具有可展性的机构单元图谱及构型库。提出了大尺度模块化组网方法，发明了多种大折展比的折展机构新构型，开发出空间折展机构构型综合与仿真软件平台。 2. 提出了大尺度折展机构多模块联动驱动方法，建立了驱动模型，优化配置了驱动源位置、数量，实现了多模块折展机构多源协调展开驱动。针对二维平面天线折展机构，推导了在不同驱动组合下的折展机构运动学奇异条件，分析了奇异位置对机构运动学产生的影响。 3. 提出了基于局部随机搜索算法和粒子群算法相结合的多目标优化算法，具有更高的收敛效率；建立了可折展机构网络的多目标优化设计模型，针对基于Myard机构单元的双层桁架式折展机构进行优化设计并进行了样机实验验证。 4. 建立了基于Hertz接触力分布假设及几何约束的关节铰链接触力学模型；引入铰链和柔性索模型，建立了含铰链和张力索的折展机构非线性动力学模型，分析了系统固有频率随激振力的变化规律。 5. 提出了大尺度折展机构静动态可靠性评估方法。建立了空间铰接式伸展臂机构的可靠性分析模型与展开失效的故障树模型，分析了各故障模式的关联系数与关联度，实现了大尺度折展机构的启动、展开、锁定阶段与展开工作状态的可靠性评价。 6. 创新研制出三棱柱式伸展臂、平面折展天线机构、空间曲面天线机构等3种新型空间折展机构，完成了空间折展机构的型谱化研究。提出地面零重力模拟试验方法和性能测试方法，研制出零重力模拟试验装置。研制出低冲击压紧释放装置、大扭矩驱动组件、高刚度关节铰链、超弹性关节铰链等空间折展机构用关键部件。 出版了《空间折展机构设计》学术专著，发表论文84篇，其中SCI检索20篇、EI检索54篇。申请国家专利21项，获授权发明专利11项、授权实用新型专利6项。培养教育部新世纪人才1名，培养研究生37人（博士生8人、硕士生29人，其中毕业博士2人、毕业硕士17人）。本项目成果获2013年度黑龙江省技术发明一等奖。研究成果丰富和发展了现代机构学理论与技术，为大尺度可折展式机构的工程应用提供理论依依据和技术支撑。 2100433B