空間鉸鏈桿展開機(jī)構(gòu)固有模態(tài)分析*

劉躍進(jìn)

(裝甲兵工程學(xué)院 機(jī)械工程系,北京 100072)

空間鉸鏈桿展開機(jī)構(gòu)固有模態(tài)分析*

劉躍進(jìn)

(裝甲兵工程學(xué)院 機(jī)械工程系,北京 100072)

空間鉸鏈桿展開機(jī)構(gòu)所用材料及加固方式不同時，其固有頻率是不同的。利用有限元軟件ANSYS，對其進(jìn)行模態(tài)分析。結(jié)果表明: 所用材料的密度對空間鉸鏈桿展開機(jī)構(gòu)固有頻率影響較大；加固方式不同，固有頻率差別也大。研究材料密度及加固方式對空間鉸鏈桿展開機(jī)構(gòu)固有頻率的影響規(guī)律，對空間鉸鏈桿展開機(jī)構(gòu)動力學(xué)分析及結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)作用。

空間鉸鏈桿；展開機(jī)構(gòu)；模態(tài)分析；有限元分析

0 引 言

隨著空間事業(yè)的迅猛發(fā)展，大型空間展開機(jī)構(gòu)的應(yīng)用需求變得愈加迫切，如大面積柔性太陽電池陣、大型天線、對地遙感和深空探測器等的支撐結(jié)構(gòu)[1]。隨著航天器本體結(jié)構(gòu)大型化的同時, 支撐結(jié)構(gòu)的尺寸也越來越大。 但由于受到航天工具運(yùn)載空間的限制，要求展開機(jī)構(gòu)在發(fā)射階段必須折疊起來收藏于整流罩內(nèi)，待航天器進(jìn)入軌道后，再靠自帶的動力源將支撐結(jié)構(gòu)展開至工作狀態(tài)[2]。隨著展開機(jī)構(gòu)尺寸的增大和質(zhì)量的減小，使展開機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的剛性降低，固有頻率變小，從而會導(dǎo)致在航天器本體調(diào)姿與變軌時航天器本體與展開機(jī)構(gòu)間發(fā)生過大的耦合振動，減低展開機(jī)構(gòu)在軌工作穩(wěn)定性[3]。筆者通過對空間鉸鏈桿展開機(jī)構(gòu)在不同材料及加固方式時的模態(tài)分析，為進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)和校驗(yàn)提供了理論依據(jù)。

1 空間鉸鏈桿展開機(jī)構(gòu)模型

1.1 實(shí)體模型

展開機(jī)構(gòu)由框架部分和支桿部分組成?？蚣艿闹虚g兩個桿和支桿組成剪式支撐?？蚣艿膬啥烁饔幸粚︺q鏈軸，分別同上下框架進(jìn)行鉸鏈連接。同時，這些鉸鏈軸同支桿的鉸鏈軸組成三點(diǎn)固定。使框架支撐穩(wěn)定。在第一層機(jī)構(gòu)中，框架和平臺上的一個支桿進(jìn)行連接，形成三角固定聯(lián)結(jié)方式?？蚣艿娜齻€鉸鏈軸不在一個平面上，成一定的角度，當(dāng)收縮狀態(tài)的時候，驅(qū)動鋼絲繩的作用力同鉸鏈軸有一個作用力距。便于框架的展開。而且，在收縮狀態(tài)，支桿和支桿水平疊放，框架和框架進(jìn)行水平疊放。展開的時候，在最大行程位置，框架和支桿角度60°，每層高度282.5 mm。如圖1、圖2所示?？臻g機(jī)構(gòu)加強(qiáng)機(jī)構(gòu)，根據(jù)方案的不同，包括連桿加強(qiáng)結(jié)構(gòu)與鋼絲繩加強(qiáng)結(jié)構(gòu)兩種結(jié)構(gòu)。

圖1 實(shí)體整體模型 圖2 實(shí)體局部模型

(1) 連桿加強(qiáng)結(jié)構(gòu) 由連桿組成。兩個U型桿件同向連接。大小交替安裝。該方式的加強(qiáng)機(jī)構(gòu)，可有效提高空間結(jié)構(gòu)的剛度，但也增加了結(jié)構(gòu)的重量。當(dāng)完全展開的時候，空間機(jī)構(gòu)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)通過兩種鉸鏈連接，形成一個支桿，各部分都處于機(jī)械死點(diǎn)位置。

(2) 鋼絲繩加強(qiáng)結(jié)構(gòu) 由一個纏繞加強(qiáng)空間機(jī)構(gòu)的鋼絲繩的滾輪和一定長度的鋼絲繩組成。在展開前，鋼絲繩纏繞在鋼絲滾輪上，一端和滾輪連接，一端和上一個框架連接。在展開的時候，鋼絲繩在框架的作用下，逐步釋放。到最大展開長度的時候，鋼絲繩完全釋放完，并通過滾輪在上下相鄰兩個框架間產(chǎn)生預(yù)緊力，加強(qiáng)空間機(jī)構(gòu)的剛度。該種方法重量輕，但效果沒有第一種方法好，只可以承受一個方向的力。

1.2 有限元模型

此項(xiàng)研究中的框架部分和支桿部分采用實(shí)體三維建模，用Solid45單元，這樣就可較準(zhǔn)確地反映實(shí)際情況；加固部分采用直接建模，用BEAM188單元，該單元提供了更強(qiáng)大的非線性分析能力，更出色的截面數(shù)據(jù)定義功能和可視化特性，該梁單元用于生成三維結(jié)構(gòu)的一維理想化數(shù)學(xué)模型，與實(shí)體單元和殼單元相比，梁單元可以效率更高的求解[4]。

圖3 有限元模型

2 空間鉸鏈桿展開機(jī)構(gòu)模態(tài)分析

對空間鉸鏈桿展開機(jī)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，可以確定結(jié)構(gòu)的振動特性(固有頻率和振型)，給出模態(tài)參與系數(shù)。它們是承受動態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)，也是其他動力學(xué)分析問題的起點(diǎn)。本文中，重點(diǎn)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行基頻計(jì)算。由于結(jié)構(gòu)模型中存在鋼繩，因此在模態(tài)分析中需要考慮預(yù)應(yīng)力。由于空間展開機(jī)構(gòu)要求重量輕，通過對鋁和碳纖維兩種材料分別在連桿加固或鋼絲繩加固下進(jìn)行模態(tài)分析，所得結(jié)構(gòu)基頻如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)基頻

由表1可知，用碳纖維制作的機(jī)構(gòu)在連桿加固時基頻最大，效果最好；用鋁制作的機(jī)構(gòu)在鋼絲繩加固時基頻最小，效果最差。用碳纖維制作的機(jī)構(gòu)在連桿加固時比鋼絲繩加固時基頻大71.7%，同樣，用鋁制作的機(jī)構(gòu)在連桿加固時比鋼絲繩加固時基頻大58%。因而，可知采用同一種材料時，連桿加固比鋼絲繩加固的結(jié)構(gòu)基頻大，但同時也加重。采用連桿加固時，用碳纖維比用鋁的基頻大48.5%，同樣，采用鋼絲繩加固時，用碳纖維比用鋁的基頻大23.5%。因而，可知采用相同加固方式時，用碳纖維比用鋁的基頻大，即密度輕時基頻大，但在保證強(qiáng)度下，同時碳纖維費(fèi)用也高。

3 結(jié) 論

根據(jù)表1，空間鉸鏈桿展開機(jī)構(gòu)所用材料及加固方式不同時，其固有頻率是不同的。 所用材料的密度對空間鉸鏈桿展開機(jī)構(gòu)固有頻率影響較大，密度越大，基頻越??；加固方式不同，固有頻率差別也大。在使用空間鉸鏈桿展開機(jī)構(gòu)時，了解其固有頻率的影響因素，對正確選擇加固方式與材料具有一定的指導(dǎo)作用。

[1] 丁 鋒.典型桿狀構(gòu)架式展開機(jī)構(gòu)[J].上海航天,2006(1):35-40.

[2] 高海燕,袁 茹,王三民.徑射狀可展天線反射器結(jié)構(gòu)固有模態(tài)分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2007(5):174-176.

[3] 張 春,王三民,袁 茹.空間可展機(jī)構(gòu)彈性動力學(xué)特性研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2007(11):1479-1482.

[4] 唐煒柏，黃茂林，周際昌.導(dǎo)向平面鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的階段綜合法[J].機(jī)械，1982(10)：13-21.

Natural Modal Analysis of Deployable Mechanism for Space Hinge Pole

LIU Yue-jin

(DepartmentofMechanicalEngineering,ArmoredForceEngineeringInstitute,Beijing100072,China)

When the uses material and strengthen ways of the deployable mechanism of space hinge pole are different, its natural frequency is also different. By ANSYS, modal analysis of deployable mechanism for the space hinge pole is carried. The result shows that the density of the material used distinct greatly influence the natural frequency of deployable mechanism for the space hinge pole. The strengthen ways are different, so the natural frequency difference is great too. It is analyzed that the material density and strengthen ways influence natural frequency of deployable mechanism for the space hinge pole. The results supply a theoretical foundation for optimization design of deployable mechanism for the space hinge pole and dynamics study of deployable mechanism for the space hinge pole.

space hinge pole; deployable mechanism; modal analysis; finite element method

2014-02-14

劉躍進(jìn)(1977-)，男，福建南安人，講師，主要從事結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及數(shù)值仿真方面的研究工作。

TH122

A

1007-4414(2014)02-0103-02