摘要:空間鉸鏈桿展開機構(gòu)所用材料及加固方式不同時，其固有頻率是不同的。利用有限元軟件ANSYS，對其進行模態(tài)分析。結(jié)果表明:所用材料的密度對空間鉸鏈桿展開機構(gòu)固有頻率影響較大;加固方式不同，固有頻率差別也大。研究材料密度及加固方式對空間鉸鏈桿展開機構(gòu)固有頻率的影響規(guī)律，對空間鉸鏈桿展開機構(gòu)動力學分析及結(jié)構(gòu)進一步優(yōu)化具有一定的指導作用。

0 引言

隨著空間事業(yè)的迅猛發(fā)展，大型空間展開機構(gòu)的應(yīng)用需求變得愈加迫切，如大面積柔性太陽電池陣、大型天線、對地遙感和深空探測器等的支撐結(jié)構(gòu)。隨著航天器本體結(jié)構(gòu)大型化的同時，支撐結(jié)構(gòu)的尺寸也越來越大。但由于受到航天工具運載空間的限制，要求展開機構(gòu)在發(fā)射階段必須折疊起來收藏于整流罩內(nèi)，待航天器進入軌道后，再靠自帶的動力源將支撐結(jié)構(gòu)展開至工作狀態(tài)。隨著展開機構(gòu)尺寸的增大和質(zhì)量的減小，使展開機構(gòu)結(jié)構(gòu)的剛性降低，固有頻率變小，從而會導致在航天器本體調(diào)姿與變軌時航天器本體與展開機構(gòu)間發(fā)生過大的耦合振動，減低展開機構(gòu)在軌工作穩(wěn)定性。筆者通過對空間鉸鏈桿展開機構(gòu)在不同材料及加固方式時的模態(tài)分析，為進一步改進設(shè)計和校驗提供了理論依據(jù)。

1 空間鉸鏈桿展開機構(gòu)模型

1．1實體模型

展開機構(gòu)由框架部分和支桿部分組成?？蚣艿闹虚g兩個桿和支桿組成剪式支撐?？蚣艿膬啥烁饔幸粚︺q鏈軸，分別同上下框架進行鉸鏈連接。同時，這些鉸鏈軸同支桿的鉸鏈軸組成三點固定。使框架支撐穩(wěn)定。在第一層機構(gòu)中，框架和平臺上的一個支桿進行連接，形成三角固定聯(lián)結(jié)方式?？蚣艿娜齻€鉸鏈軸不在一個平面上，成一定的角度，當收縮狀態(tài)的時候，驅(qū)動鋼絲繩的作用力同鉸鏈軸有一個作用力距。便于框架的展開。而且，在收縮狀態(tài)，支桿和支桿水平疊放，框架和框架進行水平疊放。展開的時候，在最大行程位置，框架和支桿角度60°，每層高度282．5mm。如圖1、圖2所示?？臻g機構(gòu)加強機構(gòu)，根據(jù)方案的不同，包括連桿加強結(jié)構(gòu)與鋼絲繩加強結(jié)構(gòu)兩種結(jié)構(gòu)。

(1)連桿加強結(jié)構(gòu)由連桿組成。兩個U型桿件同向連接。大小交替安裝。該方式的加強機構(gòu)，可有效提高空間結(jié)構(gòu)的剛度，但也增加了結(jié)構(gòu)的重量。當完全展開的時候，空間機構(gòu)加強結(jié)構(gòu)通過兩種鉸鏈連接，形成一個支桿，各部分都處于機械死點位置。

(2)鋼絲繩加強結(jié)構(gòu)由一個纏繞加強空間機構(gòu)的鋼絲繩的滾輪和一定長度的鋼絲繩組成。在展開前，鋼絲繩纏繞在鋼絲滾輪上，一端和滾輪連接，一端和上一個框架連接。在展開的時候，鋼絲繩在框架的作用下，逐步釋放。到最大展開長度的時候，鋼絲繩完全釋放完，并通過滾輪在上下相鄰兩個框架間產(chǎn)生預緊力，加強空間機構(gòu)的剛度。該種方法重量輕，但效果沒有第一種方法好，只可以承受一個方向的力。

1．2 有限元模型

此項研究中的框架部分和支桿部分采用實體三維建模，用Solid45單元，這樣就可較準確地反映實際情況;加固部分采用直接建模，用BEAM188單元，該單元提供了更強大的非線性分析能力，更出色的截面數(shù)據(jù)定義功能和可視化特性，該梁單元用于生成三維結(jié)構(gòu)的一維理想化數(shù)學模型，與實體單元和殼單元相比，梁單元可以效率更高的求解。

2空間鉸鏈桿展開機構(gòu)模態(tài)分析對空間鉸鏈桿展開機構(gòu)進行模態(tài)分析，可以確定結(jié)構(gòu)的振動特性(固有頻率和振型)，給出模態(tài)參與系數(shù)。它們是承受動態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要參數(shù)，也是其他動力學分析問題的起點。本文中，重點對結(jié)構(gòu)進行基頻計算。由于結(jié)構(gòu)模型中存在鋼繩，因此在模態(tài)分析中需要考慮預應(yīng)力。由于空間展開機構(gòu)要求重量輕，通過對鋁和碳纖維兩種材料分別在連桿加固或鋼絲繩加固下進行模態(tài)分析，所得結(jié)構(gòu)基頻如表1所示。

 

表1 結(jié)構(gòu)基頻

材料	加固方式	基頻
碳纖維( 密度: 1.8×103kg /m3 )	連桿	1.729
碳纖維( 密度: 1.8×103kg /m3 )	鋼絲繩	0.48807
鋁材( 密度: 2.7×103kg /m3 )	連桿	0.8896
鋁材( 密度: 2.7×103kg/m3 )	鋼絲繩	0.37341

由表1可知，用碳纖維制作的機構(gòu)在連桿加固時基頻最大，效果最好;用鋁制作的機構(gòu)在鋼絲繩加固時基頻最小，效果最差。用碳纖維制作的機構(gòu)在連桿加固時比鋼絲繩加固時基頻大71．7%，同樣，用鋁制作的機構(gòu)在連桿加固時比鋼絲繩加固時基頻大58%。因而，可知采用同一種材料時，連桿加固比鋼絲繩加固的結(jié)構(gòu)基頻大，但同時也加重。采用連桿加固時，用碳纖維比用鋁的基頻大48．5%，同樣，采用鋼絲繩加固時，用碳纖維比用鋁的基頻大23．5%。因而，可知采用相同加固方式時，用碳纖維比用鋁的基頻大，即密度輕時基頻大，但在保證強度下，同時碳纖維費用也高。

3 結(jié)論

根據(jù)表1，空間鉸鏈桿展開機構(gòu)所用材料及加固方式不同時，其固有頻率是不同的。所用材料的密度對空間鉸鏈桿展開機構(gòu)固有頻率影響較大，密度越大，基頻越小;加固方式不同，固有頻率差別也大。在使用空間鉸鏈桿展開機構(gòu)時，了解其固有頻率的影響因素，對正確選擇加固方式與材料具有一定的指導作用。