球铰接杆式支撑臂构型参数分析

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1、2Ol2年4月中国空间科学技术29第2期ChineseSpaceScienceandTechnology．．———球铰接杆式支撑臂构型参数分析黎彪刘志全程刚丁锋(中国空间技术研究院，北京100094)摘要论述了球铰接杆式支撑臂的组成和主要构型参数。利用有限元分析软件建立了球铰接杆式支撑臂有限元模型，进行了模态分析并与试验结果进行了对比，验证了模型的正确性；分析了单元段跨距、套筒半径、横向框架边数和斜拉索预紧力对支撑臂性能的影响。结果表明单元段跨距的增加有利于支撑臂总体性能的提升，而套筒半径和横向框架边数的增加能提高支撑臂刚度但同时增加了系统总质量。斜拉索预紧力应从最小允许预紧力

2、和球铰取得最大刚度值时对应的预紧力中选取较大值。分析结果为支撑臂的工程设计提供了依据。关键词球铰接杆式支撑臂展开机构构型有限元法参数分析航天器DOI：10．3780／i．issn．1000—758X．2O12．02．005l引言构架式空间可展开支撑臂是目前最为先进的支撑臂之一，球铰接杆式支撑臂因高刚度、大尺寸等优点而更能适应航天器大型化发展，是未来空间可展开支撑臂的主要发展方向l_1]。目前国内已研制出的球铰接杆式支撑臂原理样机成功地实现了支撑臂的展开和收拢功能]，然而，将其应用于航天任务中还需要考虑质量、环境适应性、收拢包络等诸多约束，这些约束都与支撑臂的构型参数密切相关。因

3、此，深入研究球铰接杆式支撑臂构型参数对性能的影响对于此类支撑臂在航天器工程中的应用具有重要意义。国内外对于球铰接杆支撑臂构型参数分析大多基于等效梁理论，文献I-4]从刚度和强度方面分析了各构型参数对盘压杆和铰接杆式支撑臂性能的影响，但该文献对铰链因素只是采用经验系数修正，并只讨论了不含套筒的支撑臂。文献[5]同样采用等效梁理论，推导了支撑臂的弯曲刚度、强度与支撑臂套筒半径和纵梁截面面积之间的关系，但文献中未考虑跨距、铰链和斜拉索组件等因素。本文采用有限元分析软件(ANSYS)对球铰接杆进行有限元建模，并引入了球铰接副刚度、由套筒附加的质量和结构尺寸以及横向框架边数等因素，并在此

4、基础上进行各构型参数的影响分析。2球铰接杆式支撑臂组成及构型参数以ADAM(AbleDeployableArticulatedMast)为代表的球铰接杆式支撑臂的组成如图1所示，两相邻横向框架之间的构件组成一个单元段，纵梁通过两端的球铰与上下横向框架相连，在横向框架每个角点处设有导向轮，以保证支撑臂能够在套筒的导轨中(图1中未反映)NN展开，机构完全国防科技工业民用航天专项科研技术研究项目收稿日期：20110624。收修改稿日期：2011O826型兰垫生旦展开后每个侧面都有斜拉索组件，斜拉索组件主要包括锁定装置和斜拉索，用于保持展开后的结构稳定和刚度。球铰接杆式支撑臂单元段收拢

5、状态如图2所示，纵梁AA，BB，CC，DD侧向倒伏，相邻横向框架ABCD与ABCD之间相对转角为。工程实际中支撑臂将收拢在套筒中，图1中完全展开的展开段单元由提升螺母驱动沿着直导轨被推出套筒，而过渡段的单元段由完全展开的单元段牵引，沿着曲线导轨螺旋上升，上下横向框架相对转动0／2角度，实现了半L一N·Lb(1)Z一2Rsin(n／M)(2)0—2arcsin(Lb／zR)(3)支撑臂收拢长度为L一2(N+1)·rh。(4)则无套筒的支撑臂的收拢率(支撑臂收拢时纵向长度与完全展开时长度比值)为eret／Lt(1+1)(5)图2单元段收拢状态由于N很大，式(5)中1／N一项可以忽略

6、，则收拢率可简化为Fig．2Stackofmastbay￡一2rh。／Lb⋯支撑臂在发射过程中收拢在套筒中，因此其收拢后总长度等于套筒的长度。收拢段有N一2个单元段，其长度为Ll一2(N一1)rh。过渡段包含一个半展开状态的单元段，即单元段横向框架相对旋转角度为O／Z，其长度为L一_二二展开段为一个单元段长度，则套筒长度即支撑臂收拢总长度为L一L1+L2+Lb(6)则航天任务中的支撑臂收拢率为e一L／L。(7)选取线密度(单位长度的支撑臂质量)作为衡量支撑臂质量优劣的标准，包含套筒质量的支撑臂总线密度为一(M+M)／L，其中，M为支撑臂机构的总质量，M。为套筒的质量。而不包含套

7、筒质量的支撑臂线密度则为。一M⋯／L⋯。2012年4月中国空间科学技术313球铰接杆式支撑臂有限元建模与验证利用ANSYS对球铰接杆进行有限元建模。对于纵梁的单元选择，文献[6]对比了采用杆单元和梁单元分析结果，指出两者所得的频率基本相同。因此，为简化问题，本文采用杆单元(LINK8)模拟纵梁；采用管单元(PIPE16)模拟横向框架；采用点质量单元(MASS21)模拟纵梁与横向框架连接处的导向轮和球铰组件，对于电缆等附件质量和顶端负载质量，也采用均匀分布在角节点处的点单元(MASS21)模拟