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空间可动结构设计与控制分析

岳建如  
【摘要】: 可动结构包含的范围很广,本文主要针对两种类型的可动结构进行研究:(1)空间太阳望远镜成像镜调焦机构;(2)空间可展开结构。 本文研究内容所覆盖的学科领域相当多,它包含机构设计、力学分析、环境影响分析、自动化控制、计算机编程、电子电路设计等。机构设计、力学分析、自动化控制和计算机编程等是本文的重点研究内容。环境影响分析和间隙元法的应用是与可动结构设计密切相关的重要研究内容,在本文中也有详细的论述。本文将这些研究内容有机结合在一起,形成了一套比较完整的可动结构研究体系,在可动结构研究方面属于国内领先。 空间太阳望远镜成像镜调焦机构的设计是在国家“863”高科技课题中展开的,本文有创建性的工作是根据设计要求提出了三种机构设计形式,包括直线轴承式、移动滚珠式和装配直线轴承式,比较了三种机构各自的优缺点,并根据其中的一种加工制作了实际模型。然后利用ANSYS软件进行了发射荷载条件下机构的强度校验,在其中提出了利用耦合点来解决有接触构件的力学分析问题,可以基本满足问题的要求。提出了整个机构系统的误差分析,包括丝杠、步进电机和机构加工精度等各方面的影响。并提出了改进模型及其整体分析。 可展开天线结构是国际上空间航天结构中研究的一个重点和热点,但国内在这方面的研究比较薄弱,作者本人和课题组其他成员经过几年的研究,在这方面做出了一定的贡献,使得国内在可展开天线这方面的技术有了很大进展。结构的具体设计和几何关系计算是抛物面天线设计的一个重点和难点。 该抛物面天线的基本组成单元是六棱柱,其展开驱动力主要依靠对角杆件中的拉伸弹簧。杆件的长度是根据抛物面天线在完全展开状态下计算出的,但是在收拢状态下结构各构件是否还能满足几何关系则需要计算确定,文中给出了几何协调性分析的过程,几何协调性分析的结果发现有些原来的不可变尺寸杆件在完全收拢状态下改变了尺寸,否则结构不能完全收拢,文中给出了寻找需要调整的杆件的方法,并对需要调整长度的杆件进行了计算,最后给出了根据计算理论给出了本模型的协调性分析结果。 由于可展天线结构展开动力来源于对角杆中拉伸弹簧,所以结构在展开过程中冲击力比较大,为了控制其展开速度,同时为了完成天线的收拢过程,需要电机来进行控制,本文提供了一种电机控制机构的设计方案。 通过详细的结构分析,确定了天线合理的结构参数,并把计算结果和实验结果进行了比较,本文对展开天线所做的实验主要包括以下几个方面:模态实验、速度加速度实验、展开重复精度测试。 空间环境中力学环境对可动结构的影响直接关系到机构的设计问题,所以本文第四章中 岳建如:中文摘要 浙江大学博士学位论文20024 首先详细论述了空间环境中的力学环境,然后给出了空间环境的三种轨道环境划分,及每一 种环境影响因素对空间可动结构设计的影响,包括原子氧、离子射线、温度、微陨石和碎片 以及真空冷焊现象等环境因素,提出了材料选择的原则,为可动结构材料选择提供了一定的 依据。 空间可动结构一个很显著的特点是构件可动,这就表明机构由不同构件组成,构件之间 必然存在着间隙,在有些情况下,间隙对可动结构的影响非常大。文中给出了间隙元法在空 间可动部件接触问题中的应用,推导了其几何边界条件和力学边界条件,利用虚功原理推导 了含间隙元弹性接触问题的有限元方程式,给出了其数值解法的迭代步骤,并指出了利用间】 隙单元进行分析的特点。对成像镜调焦机构中直线轴承和内筒之间可以按接触理论进行计 算,并与利用耦合点进行计算得到的结果进行了比较,结果表明利用接触单元计算更符合实 际情况。文中还提出了旋转铰和滑移铰两种间隙单元,推导了间隙单元的刚度矩阵,最后给 出了含间隙单元的结构动力学方程。 自动控制系统的设计是本文研究的一个重点,文中首先给出了自动控制理论的基本概 念,然后详细论述了成像镜调焦机构自动控制系统的设计过程,包含电子电路的设计,此设 计同样适用子可展天线自动收拢过程的实现。自动控制过程另一个重要的方面就是编制串口 通讯程序,这个程序需要和单片机结合起来共同完成控制,文中详细介绍了程序的编制过程, 并做了实时演示,还测量了成像镜移动过程中的垂向误差,结果表明其符合设计的要求。


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