剪式单元可展机构的间隙动力学分析与结构稳定性研究

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1、学校代码１０６９９分类号ＴＨ１１３．２＿密级学号２０１３１０００７１．＿＾＾＾＾Ａ、參ＮＯＲＴＨＷＥＳＴＥＲＮＰＯＬＹＴＥＣＨＮＩＣＡＬＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ博士学位论文＾目剪式单元可展机构的间隙＿动力学分析与结构稳定性研究作者李博．机驗ｉ十麵ｉ仑学科、专业王二民指导教师２〇１７９＾月申请学位日期西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：剪式单元可展机构的间隙动力学分析与结构稳定性研究作者：李博学科专业：机械设计及理论

2、指导教师：王三民2017年9月ClearanceDynamicAnalysisandStructuralStabilityStudyofDeployableMechanismBasedonScissor-LikeElementsByLiBoUndertheSupervisionofProfessorWangSanminADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementFort

3、hedegreeofDoctorofMechanicalDesignandTheoryXi’anP.R.ChinaSeptember2017摘要摘要可展机构具有可重复使用，折叠后体积小，展开后能够覆盖较大面积等优点，因此在航空、航天、建筑等领域得到广泛地应用。单元机构通过不同的组合方式可以组装成各类复杂的可展机构。其中，剪式可展机构由基本剪式单元组合而成，具有大收缩比、展开折叠动作可靠、准确性高以及刚性好等特点，故常用作空间伸展臂、可展天线反射器，以及临时避难所等。可展机构是一种机构式结构，即在展开与收拢运动阶段

4、表现出机构的运动特性，在展开结束和锁定之后承受载荷时又表现出结构的稳固特性，为了保证可展机构的平稳运动和可靠受载，对可展机构的动力学特性和结构的稳定性进行研究是十分必要的。在运动阶段，可展机构由大量单元阵列组合而成，导致其内部铰链多，构造复杂，铰链间隙引起的接触碰撞特性会严重地影响不同构件间的运动同步性和展开精度。在展开结束和锁定阶段，结构的受载变形会影响其展开到位时的型面精度，甚至会造成结构的塌陷。本文针对剪式单元可展机构在运动过程中的间隙动力学特性和展开结束锁定后的构型稳定性进行了系统地研究，为准确预测含间隙

5、可展机构的动力学特性，抑制间隙引起的冲击、摩擦磨损、运动精度下降、机构可靠性和寿命降低，以及结构失稳时的屈曲特性奠定了理论基础，为加快可展机构的工程应用提供了重要依据。本文的主要工作内容与创新点如下：1.基于可展机构中单元的一致性特点，将子结构思想融入动力学分析中，建立了理想剪式单元线阵列可展机构在运动过程中的动力学模型和求解方法。在全局坐标系下，根据构件的几何约束、位移约束、剪式铰链约束等建立机构的通用运动约束方程，可快速获得机构的动力学响应，并可以推广到由任意个单元组成的线阵列可展机构中，提高了机构动力学分析

6、的建模效率。此外，选用几何约束法完成了速度和位置的校正，提高了数值结果的准确性。2.建立了含间隙剪式单元可展机构的通用动力学方程，对运动副元素间的接触碰撞过程进行了数学描述，并就接触体之间的接触状态、潜在接触点位置、相对接触速度以及广义力的转化进行了分析。针对数值求解过程中容易出现的数值刚性问题提出了解决方法。将含间隙转动副元素之间的法向与切向接触力转换到间隙运动副所联接的构件的质心处，并将其集成到可展机构动力学模型的广义力中，成功地将铰链间隙效应引入到可展机构动力学模型中。综合分析了间隙尺寸、间隙数量以及间隙位

7、置对含间隙可展机构动力学行为的影响，研究了不同位置处间隙铰链间的动力学相互作用以及间隙尺寸对不同位置处铰链间隙行为变化的影响，同时提出在对间隙较敏感位置安装合适的控制器有利于减小机构的非线性动力学行为。3.基于含间隙铰链的“接触-碰撞-分离”过程，分析了Hertz接触模型、Persson接触模型以及改进的Winkler弹性基础模型的不足，提出了一种新的非线性混合接触碰撞I西北工业大学博士学位论文力模型。该模型采用非线性刚度系数描述多刚体接触过程中接触刚度相对于接触渗透的变化情况。非线性刚度系数考虑了接触刚度和机构

8、系统间的耦合关系，更接近于工程实际。此外，结合LuGre摩擦模型，以两单元平面可展机构为对象，建立了含间隙可展机构的动力学模型。采用新的混合接触力模型模拟机构的动力学响应，和原有模型比较，改进的模型不受间隙尺寸和恢复系数的限制，可以更准确地预测机构的动力学行为。4.根据杆件的线弹性分析、等效原理和势能驻值原理，分别建立了适合于单侧受载可展结构的稳定性模型(Ⅰ)和考虑自重时