《空間環境下多鉸可折展機構的非線性動力學建模與分析》是依託哈爾濱工業大學，由郭宏偉擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：空間環境下多鉸可折展機構的非線性動力學建模與分析
- 依託單位：哈爾濱工業大學
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：郭宏偉
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
空間多鉸可折展機構廣泛套用在載人航天、月球探測、空間站、對地觀測等太空活動中。空間微重力、高低溫、真空環境及鉸鏈非線性力學行為對可折展式機構的折展運動學與動力學帶來很大影響。而目前對考慮空間多場耦合作用下的空間可折展機構非線性動力學方面研究較少且不夠深入。本項目以空間多鉸可折展機構的航天套用為背景，重點研究以下內容：（1）考慮空間環境的影響，研究鉸鏈結構中間隙、摩擦、預載荷、接觸變形、微位移、粘滑之間的相互作用機理，建立間隙-摩擦鉸的非線性等效彈簧-阻尼模型；（2）空間冷熱交變環境下多鉸可折展機構熱變形、熱振動分析；（3）建立多場耦合作用下空間多鉸可折展機構非線性動力學模型，對可折展機構動力學特性進行分析。（4）基於動力學模型，對空間多鉸可折展機構動態展開精度進行分析。（5）通過仿真分析與地面模擬實驗驗證理論模型的正確性和可行性，為空間多鉸可折展機構的工程套用提供基礎性理論依據和技術支持。
結題摘要
本項目以空間多鉸折展機構為研究對象，系統的研究了鉸鏈非線性力學特性、折展機構剛柔耦合系統動力學建模、空間環境熱變形與熱模態分析、展開精度建模與分析、樣機研製與動力學實驗等科學問題。按照項目預期目標圓滿完成了全部工作內容。取得主要成果如下： （1）基於赫茲接觸力分布和鉸連結觸幾何約束條件，建立了高精度鉸鏈非線性接觸力學模型；建立了鉸鏈非線性動剛度及阻尼模型，分析了鉸鏈間隙、接觸變形、振動幅值和振動頻率等對剛度、阻尼特性、碰撞回響的影響；基於描述函式法對鉸鏈四種不同非線性特性進行了建模與分析；考慮空間高低溫環境，對鉸鏈準靜態、動力學特性進行了高溫、低溫試驗測試，驗證了理論模型的正確性。 （2）提出了鉸鏈等效熱力學建模方法，建立了空間折展機構熱變形與熱模態分析模型。結合熱彈性力學、靜力學、幾何學以及物理學，推導了折展機構熱變形方程，分析了折展機構在不同溫度場下的熱變形；分析了溫度場、熱應力對摺展機構基頻和模態的影響，以熱變形最小，形面精度最高為目標對摺展機構桿件熱膨脹係數進行了最佳化。 （3）引入考慮多因素非線性鉸鏈模型，建立了空間折展機構非線性多柔體系統動力學模型。分析了鉸鏈剛度、阻尼、外部激勵等對摺展機構動力學回響的影響；提出了基於彈性波理論的折展機構等效動力學建模方法，分析了鉸鏈非線性動力學回響；基於有限元分析了空間一維伸展臂、平面天線機構、空間曲面天線機構的動力學特性及鉸鏈剛度對機構基頻的影響。 （4）基於誤差獨立作用原理，利用微分法建立折展機構精度模型。研究了單閉環、雙閉環機構在各個桿件參數誤差影響下的展開位置變化，得出了在不同驅動方式下桿件位置與輸入參數誤差對應關係及適合機構的驅動方式；基於誤差傳遞函式和干涉條件，建立了機構的精度分配準則，並進行桿件精度分配。 （5）研製了空間一維伸展臂、三維曲面天線機構樣機及微重力模擬試驗裝置，搭建了動力學測試平台，進行了動力學實驗。測試了一維伸展臂、三維曲面天線機構的基頻。對空間折展桁架機構進行了非線性動力學特性測試，識別了鉸鏈非線性特徵，驗證了理論模型的正確性。 本項目共發表論文24篇，其中SCI論文4篇、EI論文20篇，申請國家發明專利8項，已授權4項。培養青年骨幹教師及博士後1名、博士生4名、碩士生6名。參加國際學術會議8次，出國進行學術交流1次。本項目研究所取得的成果可為空間多鉸折展機構的航天工程套用提供支撐。
