空间铰链杆展开机构固有模态分析*

刘跃进

(装甲兵工程学院 机械工程系,北京 100072)

空间铰链杆展开机构固有模态分析*

刘跃进

(装甲兵工程学院 机械工程系,北京 100072)

空间铰链杆展开机构所用材料及加固方式不同时，其固有频率是不同的。利用有限元软件ANSYS，对其进行模态分析。结果表明: 所用材料的密度对空间铰链杆展开机构固有频率影响较大；加固方式不同，固有频率差别也大。研究材料密度及加固方式对空间铰链杆展开机构固有频率的影响规律，对空间铰链杆展开机构动力学分析及结构进一步优化具有一定的指导作用。

空间铰链杆；展开机构；模态分析；有限元分析

0 引 言

随着空间事业的迅猛发展，大型空间展开机构的应用需求变得愈加迫切，如大面积柔性太阳电池阵、大型天线、对地遥感和深空探测器等的支撑结构[1]。随着航天器本体结构大型化的同时, 支撑结构的尺寸也越来越大。 但由于受到航天工具运载空间的限制，要求展开机构在发射阶段必须折叠起来收藏于整流罩内，待航天器进入轨道后，再靠自带的动力源将支撑结构展开至工作状态[2]。随着展开机构尺寸的增大和质量的减小，使展开机构结构的刚性降低，固有频率变小，从而会导致在航天器本体调姿与变轨时航天器本体与展开机构间发生过大的耦合振动，减低展开机构在轨工作稳定性[3]。笔者通过对空间铰链杆展开机构在不同材料及加固方式时的模态分析，为进一步改进设计和校验提供了理论依据。

1 空间铰链杆展开机构模型

1.1 实体模型

展开机构由框架部分和支杆部分组成。框架的中间两个杆和支杆组成剪式支撑。框架的两端各有一对铰链轴，分别同上下框架进行铰链连接。同时，这些铰链轴同支杆的铰链轴组成三点固定。使框架支撑稳定。在第一层机构中，框架和平台上的一个支杆进行连接，形成三角固定联结方式。框架的三个铰链轴不在一个平面上，成一定的角度，当收缩状态的时候，驱动钢丝绳的作用力同铰链轴有一个作用力距。便于框架的展开。而且，在收缩状态，支杆和支杆水平叠放，框架和框架进行水平叠放。展开的时候，在最大行程位置，框架和支杆角度60°，每层高度282.5 mm。如图1、图2所示。空间机构加强机构，根据方案的不同，包括连杆加强结构与钢丝绳加强结构两种结构。

图1 实体整体模型 图2 实体局部模型

(1) 连杆加强结构 由连杆组成。两个U型杆件同向连接。大小交替安装。该方式的加强机构，可有效提高空间结构的刚度，但也增加了结构的重量。当完全展开的时候，空间机构加强结构通过两种铰链连接，形成一个支杆，各部分都处于机械死点位置。

(2) 钢丝绳加强结构 由一个缠绕加强空间机构的钢丝绳的滚轮和一定长度的钢丝绳组成。在展开前，钢丝绳缠绕在钢丝滚轮上，一端和滚轮连接，一端和上一个框架连接。在展开的时候，钢丝绳在框架的作用下，逐步释放。到最大展开长度的时候，钢丝绳完全释放完，并通过滚轮在上下相邻两个框架间产生预紧力，加强空间机构的刚度。该种方法重量轻，但效果没有第一种方法好，只可以承受一个方向的力。

1.2 有限元模型

此项研究中的框架部分和支杆部分采用实体三维建模，用Solid45单元，这样就可较准确地反映实际情况；加固部分采用直接建模，用BEAM188单元，该单元提供了更强大的非线性分析能力，更出色的截面数据定义功能和可视化特性，该梁单元用于生成三维结构的一维理想化数学模型，与实体单元和壳单元相比，梁单元可以效率更高的求解[4]。

图3 有限元模型

2 空间铰链杆展开机构模态分析

对空间铰链杆展开机构进行模态分析，可以确定结构的振动特性(固有频率和振型)，给出模态参与系数。它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数，也是其他动力学分析问题的起点。本文中，重点对结构进行基频计算。由于结构模型中存在钢绳，因此在模态分析中需要考虑预应力。由于空间展开机构要求重量轻，通过对铝和碳纤维两种材料分别在连杆加固或钢丝绳加固下进行模态分析，所得结构基频如表1所示。

表1 结构基频

由表1可知，用碳纤维制作的机构在连杆加固时基频最大，效果最好；用铝制作的机构在钢丝绳加固时基频最小，效果最差。用碳纤维制作的机构在连杆加固时比钢丝绳加固时基频大71.7%，同样，用铝制作的机构在连杆加固时比钢丝绳加固时基频大58%。因而，可知采用同一种材料时，连杆加固比钢丝绳加固的结构基频大，但同时也加重。采用连杆加固时，用碳纤维比用铝的基频大48.5%，同样，采用钢丝绳加固时，用碳纤维比用铝的基频大23.5%。因而，可知采用相同加固方式时，用碳纤维比用铝的基频大，即密度轻时基频大，但在保证强度下，同时碳纤维费用也高。

3 结 论

根据表1，空间铰链杆展开机构所用材料及加固方式不同时，其固有频率是不同的。 所用材料的密度对空间铰链杆展开机构固有频率影响较大，密度越大，基频越小；加固方式不同，固有频率差别也大。在使用空间铰链杆展开机构时，了解其固有频率的影响因素，对正确选择加固方式与材料具有一定的指导作用。

[1] 丁 锋.典型杆状构架式展开机构[J].上海航天,2006(1):35-40.

[2] 高海燕,袁 茹,王三民.径射状可展天线反射器结构固有模态分析[J].机械设计与制造,2007(5):174-176.

[3] 张 春,王三民,袁 茹.空间可展机构弹性动力学特性研究[J].机械科学与技术,2007(11):1479-1482.

[4] 唐炜柏，黄茂林，周际昌.导向平面铰链四杆机构的阶段综合法[J].机械，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

刘跃进(1977-)，男，福建南安人，讲师，主要从事结构强度及数值仿真方面的研究工作。

TH122

A

1007-4414(2014)02-0103-02