面向空间几何成形的多环闭链过约束柔性机构与结构的一体化设计理论

The research field has always been struggled with the design of multi-closed-loop over-constrained mechanisms. Moreover, design and analysis of flexible mechanisms and reconfigurable mechanisms are frontier theories in the research field of mechanisms as well. Integrated design of multi-closed-loop over-constrained flexible mechanisms and structures, which covers all above research difficulties and challenges, are bottlenecks restricting the development and applications of theory of mechanism..This project aims to study basic theory on the integrated design of multi-closed-loop over-constrained flexible mechanisms and structures. With considering geometric features of unit-mechanism, combination modes and principles of reconfiguration are studied; synergistic design of multi-closed-loop over-constrained flexible mechanism/structures is established. Error uncertainty analysis model of spatial multi-closed-loop over-constrained flexible mechanism is built for obtaining multi-source error coupling law and the impact of the coupling errors on kinematic and structural performance. Based on the analysis of sensibility of error, allocation method of precision is given. Influence of geometric features and mechanical parameters on structural performance is revealed, stiffness analysis and optimization method of multi-closed-loop rigid-flexible coupling system are present. Oriented to the demands of aerospace equipment such as satellite antenna and space telescopes, prototype of a novel multi-closed-loop flexible mechanism is designed and fabricated, validating the proposed theory and methods.

多环闭链过约束机构的设计问题一直以来是困扰机构学研究的难题，同时“柔”（柔性机构或柔顺机构）和“变”（变胞机构、可重构机构）的设计与分析是当前机构学研究的前沿理论。多环闭链过约束柔性机构与结构一体化设计综合了以上“多”、“柔”、“变”的研究问题，其研究有很大的难度和挑战性，是制约机构学发展与应用的瓶颈。.本项目拟开展多环闭链过约束柔性机构与结构一体化设计基础理论研究。研究考虑几何特征的单元机构组合方法与重构原理，构建多环闭链柔性机构/结构协同设计理论。建立多环闭链过约束柔性机构误差不确定性分析模型，揭示多源误差耦合规律及其对机构运动和结构性能的影响机理，提出基于误差敏感性分析的精度调配方法。探究几何特征与机构参数对整体结构性能的影响机理，提出多环闭链刚柔耦合系统的性能分析与优化方法。面向星载天线、太空望远镜等航天装备的需求，设计研制一新型多环闭链柔性机构原理样机，对相关理论与方法进行验证。

针对基于单元机构组合重构原理的融合多环闭链过约束机构“型”与结构“形”的一体化设计，多源误差不确定性分析与精度调配以及含间隙刚柔耦合系统动力学性能与优化等方面的研究取得了创新性理论研究成果。发表学术论文64篇，其中包括Nature Astronomy、Progress in Aerospace Sciences、International Journal of Mechanical Science、Mechanism and Machine Theory、International Journal of Numerical Methods in Engineering等国际顶级期刊论文和ASME IDETC/CIE等国际顶级会议论文，SCI收录35篇，EI收录26篇。相关研究论文获得第十五届机构学与机器科学世界大会最佳学生论文奖、第四届可展开空间结构学术会议优秀论文奖等。申请国家发明专利23项，已授权13项。.本项目的研究成果对于丰富机构学研究内容，促进机构学与几何、力学的交叉融合，提高我国在航空、航天领域的高可靠、高效能装备的设计水平等具有非常重要的价值和意义。主要研究成果如下：（1）机构与结构一体化设计：研究了单元机构组合连接方式及单元间的约束关系，给出了单元机构的可扩展性规律，形成了构型综合与几何成形设计相结合的多环闭链机构创新设计理论。研制了具有8个Bennett单元的可展天线机构原理样机、由8个等腰梯形直四棱柱单元组成的可束状收拢的柱面拟合可展天线机构原理样机。（2）误差分析与精度调配：建立了一种综合考虑径向和轴向间隙的转动副误差等价机构模型，提出了一种考虑多源误差的机构误差分析与精度调配方法。揭示了多源误差综合作用对机构的精度影响规律，解决了天线在轨指向误差的不确定性难题，实现了某星载天线双轴指向机构的精度调配。提出了一种基于最小椭球包络法的误差分析方法，实现了多环闭链机构多源误差边界的快速分析。（3）刚度分析与结构优化：提出了一种考虑球副间隙、碰撞与摩擦效应的非光滑多体系统动力学建模与计算方法。建立了大型薄膜天线系统的等效并联机构模型和包含柔性支撑杆与驱动绳的多环闭链刚柔耦合系统刚度模型，解决了大型柔性薄膜天线的形面精度、刚度分析与调控的难题。