空间环境下多铰可折展机构的非线性动力学建模与分析

空间多铰可折展机构广泛应用在载人航天、月球探测、空间站、对地观测等太空活动中。空间微重力、高低温、真空环境及铰链非线性力学行为对可折展式机构的折展运动学与动力学带来很大影响。而目前对考虑空间多场耦合作用下的空间可折展机构非线性动力学方面研究较少且不够深入。本项目以空间多铰可折展机构的航天应用为背景，重点研究以下内容：（1）考虑空间环境的影响，研究铰链结构中间隙、摩擦、预载荷、接触变形、微位移、粘滑之间的相互作用机理，建立间隙-摩擦铰的非线性等效弹簧-阻尼模型；（2）空间冷热交变环境下多铰可折展机构热变形、热振动分析；（3）建立多场耦合作用下空间多铰可折展机构非线性动力学模型，对可折展机构动力学特性进行分析。（4）基于动力学模型，对空间多铰可折展机构动态展开精度进行分析。（5）通过仿真分析与地面模拟实验验证理论模型的正确性和可行性，为空间多铰可折展机构的工程应用提供基础性理论依据和技术支持。

本项目以空间多铰折展机构为研究对象，系统的研究了铰链非线性力学特性、折展机构刚柔耦合系统动力学建模、空间环境热变形与热模态分析、展开精度建模与分析、样机研制与动力学实验等科学问题。按照项目预期目标圆满完成了全部工作内容。取得主要成果如下：.（1）基于赫兹接触力分布和铰链接触几何约束条件，建立了高精度铰链非线性接触力学模型；建立了铰链非线性动刚度及阻尼模型，分析了铰链间隙、接触变形、振动幅值和振动频率等对刚度、阻尼特性、碰撞响应的影响；基于描述函数法对铰链四种不同非线性特性进行了建模与分析；考虑空间高低温环境，对铰链准静态、动力学特性进行了高温、低温试验测试，验证了理论模型的正确性。.（2）提出了铰链等效热力学建模方法，建立了空间折展机构热变形与热模态分析模型。结合热弹性力学、静力学、几何学以及物理学，推导了折展机构热变形方程，分析了折展机构在不同温度场下的热变形；分析了温度场、热应力对折展机构基频和模态的影响，以热变形最小，形面精度最高为目标对折展机构杆件热膨胀系数进行了优化。.（3）引入考虑多因素非线性铰链模型，建立了空间折展机构非线性多柔体系统动力学模型。分析了铰链刚度、阻尼、外部激励等对折展机构动力学响应的影响；提出了基于弹性波理论的折展机构等效动力学建模方法，分析了铰链非线性动力学响应；基于有限元分析了空间一维伸展臂、平面天线机构、空间曲面天线机构的动力学特性及铰链刚度对机构基频的影响。.（4）基于误差独立作用原理，利用微分法建立折展机构精度模型。研究了单闭环、双闭环机构在各个杆件参数误差影响下的展开位置变化，得出了在不同驱动方式下杆件位置与输入参数误差对应关系及适合机构的驱动方式；基于误差传递函数和干涉条件，建立了机构的精度分配准则，并进行杆件精度分配。.（5）研制了空间一维伸展臂、三维曲面天线机构样机及微重力模拟试验装置，搭建了动力学测试平台，进行了动力学实验。测试了一维伸展臂、三维曲面天线机构的基频。对空间折展桁架机构进行了非线性动力学特性测试，识别了铰链非线性特征，验证了理论模型的正确性。.本项目共发表论文24篇，其中SCI论文4篇、EI论文20篇，申请国家发明专利8项，已授权4项。培养青年骨干教师及博士后1名、博士生4名、硕士生6名。参加国际学术会议8次，出国进行学术交流1次。本项目研究所取得的成果可为空间多铰折展机构的航天工程应用提供支撑。