含刚性体可展开结构的准静态展开分析方法

包含具有一定几何形状刚性连续表面的可展结构可以有效提高展开效率,保证形状精度,具有较高的实用价值.刚性体按需要可为刚性曲板等,一般形状复杂且形式多样,展开分析中描述困难,目前还没有一种通用的处理方法.本文以节点坐标为变量建立一种通用的刚性体运动学方程,将运动学方程引入展开分析之中,利用广义逆矩阵法进行准静态展开过程分析.本文的方法数学描述简洁明快,包含的未知量少,且适用于含任意形状刚性体的可展开结构,数值计算算例验证了方法的有效性.     

可展桁架结构展开过程分析

提出了一种分析构架式结构展开过程的有效算法。基于含多余广义坐标的动力学普遍方程 ,利用约束雅可比矩阵的零空间基引入一组准速率 ,得到独立的展开过程分析的动力学微分方程。为提高展开模拟的数值精度 ,文中提出了一种控制展开过程几何违约、速度违约和能量违约的数值稳定算法。该算法求解效率高 ,能和任意数值积分方法结合使用 ,能分析大型的构架式可展结构的展开过程     

空间充气管展开动力学研究进展

最近空间充气展开结构引起了人们的广泛关注, 这是因为空间充气展开结构具有折叠体积小, 重量轻和展开可靠性高等优点, 于是一些空间计划也开始考虑利用充气展开结构的优势.然而, 在空间充气展开结构应用到太空之前还有一些重要的问题需解决, 其中之一就是控制和掌握充气展开结构的充气展开动力学特性.充气管用于驱动展开并支撑空间结构是一种重要的构件. 围绕充气管在展开过程中的动力学问题, 详细地综述了近20年来国际上的研究进展情况. 首先讨论了有关的充气展开模型, 包括非线性铰链模型、卷曲折叠管展开模型、控制体积模型、能量法模型和流-固耦合模型等.然后介绍了有限元模拟研究进展, 并分别评述了$Z$形、卷曲、多边形以及变直径伸缩等折叠管的充气展开实验研究. 文章最后指出了充气管的充气展开的理论、有限元模拟以及实验在今后值得关注的研究方向.     

可展桁架展开过程模拟的违约校正

在 Yoon等学者的基础上 ,利用泰勒级数和 Moore-Penrose广义逆对主动校正法进行了深入、清晰的阐述 ,并针对可展桁架结构展开模拟所遇到的完整定常约束 ,发展了一种简单实用且精度较高的能量和速度违约校正方法。文中给出的算例说明了本文的违约校正算法的有效性     

大型网架式可展开空间结构的非线性动力学与控制

我国航天工业迫切需要掌握可入轨后展开的大型网架式空间结构技术,以便研制口径十几米、乃至数十米的大型星载天线。该技术的主要科学基础是这类空间结构展开和服役过程的非线性动力学建模、分析和控制。本文综述了与上述科学基础相关的研究进展,提出应重点关注的三个科学问题：一是大型网架式空间结构展开过程的多柔体系统动力学,尤其是如何对微重力环境下索网的接触和缠绕、运动副内碰撞、结构展开与航天器本体间的耦合等导致的非线性动力学进行建模和分析;二是大型网架式空间结构展开锁定后服役的动力学分析,尤其是如何揭示结构柔性、众多运动副间隙、交变热载荷等因素引起的复杂非线性振动机理;三是大型网架式空间结构展开锁定后服役的动力学控制,尤其是如何在欠驱动、低能耗条件下对非线性振动和波动传播提出有效的控制方法。     

双稳态复合材料可折展柱壳研究综述

双稳态复合材料可折展柱壳在展开与卷曲状态均为稳定状态,具有结构简单、收纳效率高、展开过程可靠等优势,在空间可展开结构中具有广泛应用前景。针对双稳态复合材料可折展柱壳,梳理了双稳态实现机制及稳态构型预报分析模型,介绍了不同分析模型的基本思路及优缺点;然后,总结了可展开柱壳折展过程分析方法;还介绍了双稳态复合材料可折展柱壳的应用研究现状;最后,探讨了该类结构在空间可展开结构应用中所需进一步解决的问题。     

任意空间曲面近似展开成平面的增量有限元算法

提出了任意空间曲面近似展成平面的准则,证明了这一准则与有限单元法中节点残余力向量等于零的等效性,推导了空间曲面展成平面的增量有限单元计算方法。对于可展曲面,本文方法给出的是精确的展开平面;对于不可展曲面,本文方法给出的是最接近的展开平面。本文方法具有计算快速、收敛稳定、易于实现等特点。本文理论可用于工程中的各类曲面展开问题,特别适用于膜结构的裁剪设计。     

三轴稳定卫星的太阳帆板受控展开

本文利用作者推导的带可控空间机构卫星姿态的动力学方程建立带中功率刚性折叠式太阳帆板某三轴稳定卫星的动力学方程。由于已经利用动量矩守恒的首次积分,就卫星角速度三个分量而言此方程是与帆板受控规律有关的代数方程。为了达到在帆板展开过程中不影响卫星主体姿态的目的,由上述方程可直接得到太阳帆板受控展开规律应满足的自治方程。利用打靶法对这个方程的边值问题进行参数优化,得到了卫星和帆板的最优结构参数和帆板最佳受控发开规律。     

考虑铰摩擦的柔性太阳阵展开动力学研究

研究了空间漂浮航天器太阳阵展开与锁定过程的刚柔耦合动力学问题. 基于Jourdain 速度变分原理和单项递推组集方法, 建立了太阳阵展开与锁定过程的刚柔耦合多体系统动力学模型,采用虚功率原理推导了铰摩擦对系统动力学方程的贡献. 在以上动力学模型中引入3-D 鬃毛摩擦模型来研究铰链的摩擦特性对太阳阵展开动力学的影响. 所建动力学模型的正确性通过与商业软件ADAMS 和NASTRAN 的联合仿真对比得到了验证,该模型能够有效地预测太阳阵的展开历程以及航天器姿态的动态行为.      

某水下航行体尾翼展开过程中流场的数值模拟

利用Pro／E软件对水下航行体进行了实体建模．使用Fluent 6．0软件,应用三维黏性定常不可压缩Navier-Stokes方程,k-ε两方程湍流模型,采用有限体积法对水下航行体尾翼展开过程中的流场和载荷进行了数值仿真计算,根据所得结果对水下航行体的展开规律进行了分析计算．对照实验结果,说明了该数值解法的正确性,同时表明了数值分析结果对解决工程问题具有实际指导意义,可应用于水下航行体折叠尾翼的设计和改进．     

Dynamics of a System of Bodies with Program-Variable Configuration

The dynamics of a system of rigid bodies with program-variable configuration is analyzed. A mathematical model is constructed using methods of analytical mechanics. The behavior of a microsatellite with a deployable gravity-gradient boom is analyzed as a numerical example     

复合柔性结构全局模态函数提取与状态空间模型构建

随着航空航天等领域中实际工程结构的大型化和柔性化,结构的非线性振动和主动振动控制问题越来越凸显.分析和处理此类结构出现的复杂振动问题的关键在于建立系统的非线性动力学模型与状态空间模型.对于由柔性部件、刚体、连接部件构成的复合柔性结构,由于各部件之间的振动耦合效应,单个柔性部件在悬臂、简支和自由等静定边界下的模态与结构的真实模态有较大差异.为此,本文提出复合柔性结构全局模态的解析提取方法,通过全局模态离散得到系统非线性动力学模型,从而构建状态空间模型.该方法采用笛卡尔坐标描述系统的运动,建立系统的运动方程;结合描述柔性部件的偏微分方程、刚体的常微分运动方程、连接界面处力、力矩、位移和转角的匹配条件以及系统的边界条件,利用分离变量法给出统一形式的频率方程,获取系统的固有频率和解析函数表征的全局模态.这里提出的全局模态提取方法不仅便于复合柔性结构固有频率和全局模态的参数化分析,而且为建立复合柔性结构低维非线性动力学模型和状态空间模型提供了有效的途径,对于推进这类结构的非线性动力学分析与主动振动控制研究具有重要意义.      

多点碰撞动力学的规范求解

物体间的碰撞是工程技术中一个重要研究课题．大多数的研究工作都是集中在多刚体系统碰撞动力学问题的研究．在多刚体系统中，两个刚体之间是用一个铰连接的．但是，还存在另一类型的碰撞系统，在这类碰撞系统中，相碰的物体间没有铰存在．物体可能是自由的，也可能是被其周围环境约束的，但在物体之间没有铰的联系，这种碰撞问题称作为“分离式碰撞问题”，物体间的相互联系和相互作用仅仅在碰撞过程中存在．本文对这类“分离式碰撞问题”进行了研究，并且给出了一组解决这类问题的通用公式．这些公式可以方便地编程和计算，从而实现了多物体间的多点碰撞的动力学求解     

多刚体系统分离策略及释放动力学研究

紧密连接的多刚体系统可在脱离运载航天器后在轨自主分离,无需多次利用航天器发射装置或在航天器中安装多个发射装置进行分离释放,从而有效提高运载航天器空间利用率,简化分离释放操作和降低碰撞风险.本文针对多刚体系统的在轨分离释放问题,研究在轨分离策略及释放过程动力学.首先,考虑刚体相对运动及姿态变化,基于虚功原理及自然坐标方法建立单个刚体的动力学模型.考虑多刚体系统在轨分离释放阶段的轨道运动和连接约束变化,计入分离时刚体间的相互作用,利用拉格朗日乘子法获得含连接约束的非线性动力学模型.考虑到实际工程应用,在多刚体系统分离释放阶段,通过安装在刚体间每个接触表面4个角上的弹射装置实现自主分离.其次,为保证分离过程中刚体之间无碰撞发生,规划了多刚体系统的分离时序,并基于不同弹射方向及分离顺序设计了两种分离释放方案.最后,通过算例研究分析了在轨分离释放过程中刚体的非线性动力学行为,验证了分离释放方案的有效性.     

空间展开折叠桁架结构动力学分析研究

本文以笛卡尔坐标系下节点自然坐标为未知量,建立了桁架结构系的基本运动力学方程,并首次推导出桁架结构中常用节点附加几何约束方程,相应约束Jacobi矩阵及其导数矩阵,采用奇异值分解法求约束Jacobi矩阵的零空间基和M-P广义逆,并由矩阵缩减法建立了带约束桁架体系的运动力学方程和求解方法。数值算例表明该方法适于可展折叠桁架结构运动力学分析。     

具有摩擦的刚体碰撞

刚体碰撞是力学上的一个经典问题，但目前大都采用给定恢复系数进行分析的方法，本文则直接从两刚体碰撞时Newton第二定律出发，建立了计及摩擦的两刚体碰撞基本理论，并指出了以往研究通过给定恢复系数方法的错误之处。文中通过利用两刚体接触相对变位加速度与碰撞力的关系，定义了法向等效质量，对二维平面碰撞，通过一些简单的比较和定义给出了各种碰撞状态的分类判别法，并给出了碰撞力和冲量的解析式。指出法向等效质量依赖于碰撞状态，在反向滑动和停止滑动这两状态下的法向等效质量是变化的，因此导致其恢复系数是变化的，这样，恢复系数不仅与接触力(接触点情况)有关，而且还与两刚体的运动和动力参数有关，同时给出各种碰撞状态下的恢复系数计算式。     

Numerical approach for detecting bifurcation points of the compatibility paths of symmetric deployable structures

New internal mechanisms of a deployable structure could be generated, when the structure undergoes significant transformations along its compatibility path. Because of such kind of kinematic bifurcation, the structure might not transform into the desired configuration. To design novel deployable structures, it is necessary to detect all possible bifurcation points of the compatibility paths and study the bifurcation behavior. Here, on the basis of the nonlinear prediction–correction algorithm with variable increment size, we will propose an efficient approach to detect all the possible bifurcation points of the compatibility path for a symmetric deployable structure. Null space of the Jacobian matrix is studied iteratively, to follow the complete compatibility path. The variable increment size at each step is determined by evaluating whether the configuration is close to the singular configuration. Numerical examples of several 2D and 3D symmetric deployable structures are presented, to verify the feasibility and computational complexity of the proposed approach. The results show that the proposed method is computationally efficient, and could detect different bifurcation points of the compatibility path. Further, it turns out that all the analyzed symmetric structures experience kinematic bifurcation on certain conditions.     

On the dynamics of deployment of an orbital structure with elastic elements

The object to be studied is a spacecraft with a deployable pantograph structure as a solar-battery carrier. The objective of research is to design a mathematical model of this structure taking the elasticity of pantograph elements into account. The Lagrangian formalism is followed. To model the dynamic processes in the system, a software package has been developed, which can be adapted, if necessary, to study deployable structures of other types. The behavior of the structure during deployment, collapse, and redeployment under the action of various perturbations is modeled numerically. Plots illustrating the variation of characteristic variables are presented __________ Translated from Prikladnaya Mekhanika, Vol. 42, No. 8, pp. 136–144, August 2006.     

Planar mobility modes of 8-bar-jointed structures with a single degree of freedom

A range of modes of mobility for spatial structures can be achieved by selecting the rotational features of the joints. Similar mechanical characteristics are observed in structures ranging from molecules to buildings. The local rotational manner in a solid with an internal spatial structure performs a key part in dictating the nature of structural deformability. In this paper, we propose a two-dimensional repetitive motion structure assembled with straight rigid bars connected by 8-bar pivot joints. By determining the rotational modes of the 8-bar joint with certain geometrical constraints, we introduce some telescopic transformations of the proposed structure producing both well-known and novel motions. In addition, we verify one of the deployable mechanisms by manufacturing it and testing activation by a single rotary operation.