索杆桁架式可展开机构设计与力学分析

doi:10.3901/JME.2022.17.135

机械工程学报 ›› 2022, Vol. 58 ›› Issue (17): 135-143.doi: 10.3901/JME.2022.17.135

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索杆桁架式可展开机构设计与力学分析

申理精¹, 耿坤^2,3,4, 李盘浩^2,3,4, 张静^2,3,4

1. 太原科技大学应用科学学院太原 030024;
2. 太原理工大学机械与运载工程学院太原 030024;
3. 山西省矿山流体控制工程技术研究中心太原 030024;
4. 矿山流体控制国家地方联合工程实验室太原 030024

收稿日期:2021-12-17 修回日期:2022-05-09 发布日期:2022-11-07
作者简介:申理精,女,1978年出生,硕士,讲师。主要研究方向为最优化理论及应用。E-mail:loveslj88@163.com;耿坤,男,1996年出生,硕士研究生。主要研究方向为可调曲面形状的自适应可展开减速机构。E-mail:2047610002@qq.com;李盘浩,男,1994年出生,硕士。主要研究方向为含柔性铰链的折展机构动力学研究。E-mail:lph940126@qq.com

Design and Mechanical Analysis of Cable Rod Truss Deployable Mechanism

SHEN Lijing¹, GENG Kun^2,3,4, LI Panhao^2,3,4, ZHANG Jing^2,3,4

1. College of Applied Sciences, Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024;
2. College of Mechanical and Vehicle Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024;
3. Shanxi Province Engineering Technology Research Center for Mine Fluid Control, Taiyuan 030024;
4. National-local Joint Engineering Laboratory of Mining Fluid Control, Taiyuan 030024

Received:2021-12-17 Revised:2022-05-09 Published:2022-11-07
Contact: 国家自然科学基金重点(51835002)、山西省应用基础研究计划面上青年基金(201901D211010)、山西省高等学校科技创新(2019L0177)和山西省科技厅青年基金(201901D211285)资助项目。

摘要/Abstract

摘要： 设计了一种新型索杆桁架式可展开单元，可以实现大型空间可展开机构的高刚度与轻量化。新型可展单元截面由三个正三角形组成，三角形的三个边由索代替，利用中心三叉结构进行索的牵引与张紧。使用被压缩的扭簧作为展开过程中的驱动元件，通过双曲柄滑块机构实现每个基本可展单元沿轴向的同步运动,采用双向折叠展开的设计大幅减小机构折叠后的体积，采取索杆结合的方式减小机构整体的质量。在杆件连接节点处布置自锁铰链，在完全展开时将机构被锁定为稳定状态。ADAMS软件的动力仿真结果验证了机构展开过程的可行性，扭簧的刚度越大，展开的初始角速度越大，展开时间越短。机构展开后的静刚度分析表明，通过沿机构轴向布置对角拉索，且当对角拉索处于预紧状态时，可展机构可以获得更高的结构刚度。机构的模态分析表明，相比无对角拉索机构，含对角拉索的可展机构振动频率有所提高。

关键词: 轻型可展机构, 静力学分析, 结构刚度, 运动学分析

Abstract: A new cable-rod truss-type deployable unit is designed to achieve high rigidity and light weight of the large-space deployable mechanism. The section of the new deployable unit is composed of three regular triangles whose three sides of the triangle are replaced by cables. The central trident structure is used for traction and tension of the cables. The compressed torsion spring is used as the driving element during the unfolding process, and the synchronous movement of each basic deployable unit along the axial direction is realized through the double crank-slider mechanism. The design of two-way folding-unfolding greatly reduces the volume of the mechanism after folding, the style of combination of cables and rods reduces the overall mass of the mechanism. Self-locking hinges are arranged at the connecting nodes of the rods to lock the mechanism into a stable state when fully deployed. The dynamic simulation results of ADAMS software verify the feasibility of the mechanism deployment process. The greater the stiffness of the torsion spring, the greater the initial angular velocity of deployment and the shorter the deployment time. The static stiffness analysis of the mechanism after deployment shows that by arranging the diagonal cables along the axis of the mechanism, and when the diagonal cables are in a preloaded state, the deployable mechanism can obtain higher structural stiffness. The modal analysis of the mechanism shows that, compared with the mechanism without diagonal cables, the vibration frequency of the expandable mechanism with diagonal cables is increased.

Key words: light deployable mechanism, static analysis, structural rigidity, kinematics analysis

中图分类号:

V443

申理精, 耿坤, 李盘浩, 张静. 索杆桁架式可展开机构设计与力学分析[J]. 机械工程学报, 2022, 58(17): 135-143.

SHEN Lijing, GENG Kun, LI Panhao, ZHANG Jing. Design and Mechanical Analysis of Cable Rod Truss Deployable Mechanism[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2022, 58(17): 135-143.

参考文献

[1] 邓宗全. 空间折展机构设计[M]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2013. DENG Zongquan. Design of space deployable and foldable mechanisms[M]. Harbin：Harbin Institute of Technology Press，2013.
[2] 刘荣强，田大可，邓宗全. 空间可展开天线结构的研究现状与展望[J]. 机械设计，2010，27(9)：1-10. LIU Rongqiang，TIAN Dake，DENG Zongquan. Research actuality and prospect of structure for space deployable antenna[J]. Journal of Machine Design，2010，27(9)：1-10.
[3] 冯涛，冀有志，肖勇，等. 星载环形天线结构及其应用综述[J]. 空间电子技术，2015，12(2)：22-28. FENG Tao，JI Youzhi，XIAO Yong，et al. Overview of space-borne perimeter truss antenna and its application[J]. Space Electronic Technology，2015，12(2)：22-28.
[4] GEINTS Y E，KLIMKIN A V，LATYNSEV S V，et al. Geometrical-optics computer model of metal-knitted mesh for calculations of solar pressure on space deployable antenna reflectors[J]. Applied Optics，2019，58(14)：3815-3822.
[5] YAGUCHI I，MEGURO A. A new design concept of light-weight and deployable membrane structures for space applications[J]. The Proceedings of the JSME Annual Meeting，2010，5(0)：2056-2062.
[6] 张京街，关富玲，胡其彪，等. 带弹簧节点的大型构架式展开天线结构的设计和研究[J]. 空间结构，2000，6(2)：30-37. ZHANG Jingjie，GUAN Fuling，HU Qibiao，et al. Design and study of large deployable truss antenna with spring joints[J]. Spatial Structures，2000，6(2)：30-37.
[7] GUAN Fuling，SHOU Jianjun，HOU Guoyong，et al. Static analysis of synchronism deployable antenna[J]. Journal of Zhejiang University Science A (Science in Engineering)，2006，7(8)：1365-1371.
[8] 杨毅，丁希仑. 四棱锥单元平板式可展开收拢机构的运动特性分析[J]. 航空学报，2010，31(6)：1257-1265. YANG Yi，DING Xilun. Kinematic analysis of a plane deployable mechanism assembled by four pyramid cells[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2010，31(6)：1257-1265.
[9] 陈向阳，关富玲. 六棱柱单元可展抛物面天线结构设计[J]. 宇航学报，2001，22(1)：75-78. CHEN Xiangyang，GUAN Fuling. A large deployable hexapod paraboloid antenna[J]. Journal of Astronautics，2001，22(1)：75-78.
[10] 郭金伟，黄志荣，许允斗，等. 一类基于四面体组合单元的模块化构架式可展开天线机构[J]. 航空学报，2020，41(3)：423219. GUO Jinwei，HUANG Zhirong，XU Yundou，et al. A kind of modular framework deployable antenna mechanism based on tetrahedral composite elements[J]. Acta Aeronautica Sinica，2020，41(3)：423219.
[11] 胡飞，宋燕平，郑士昆，等. 空间构架式可展天线研究进展与展望[J]. 宇航学报，2018，39(2)：111-120. HU Fei，SONG Yanping，ZHENG Shikun，et al. Advances and trends in space truss deployable antennae[J]. Journal of Astronautics，2018，39(2)：111-120.
[12] 刘荣强，郭宏伟，邓宗全. 空间索杆铰接式伸展臂设计与试验研究[J]. 宇航学报，2009，30(1)：315-320. LIU Rongqiang，GUO Hongwei，DENG Zongquan. Space cable-strut deployable articulated mast design and experimental study[J]. Journal of Astronautics，2009，30(1)：315-320.
[13] 郭宏伟，刘荣强，邓宗全. 索杆铰接式伸展臂动力学建模与分析[J]. 机械工程学报，2011，47(9)：66-71. GUO Hongwei，LIU Rongqiang，DENG Zongquan. Dynamic modeling and analysis of cable-strut deployable articulated mast[J]. Journal of Mechanical Engineering，2011，47(9)：66-71.
[14] 冯树飞，段学超，段宝岩. 一种大型全可动反射面天线的轻量化创新设计[J]. 中国科学：物理学力学天文学，2017，47(5)：059509. FENG Shufei，DUAN Xuechao，DUAN Baoyan. A novel design of large full-steerable reflector antenna[J]. Scientia Sinica Physica Mechanica＆Astronomica， 2017，47(5)：059509.
[15] 韩莹莹，袁茹，郑钰棋. 环状可展机构运动学分析方法及应用研究[J]. 中国机械工程，2013，24(9)：1142-1145. HAN Yingying，YUAN Ru，ZHENG Yuqi. Research on kinematics analysis method and its application of circular developable mechanisms[J]. China Mechanical Engineering，2013，24(9)：1142-1145.
[16] 田大可，郭振伟，刘荣强，等. 模块化构架式空间可展开天线支撑机构设计[J]. 航天器工程，2021，30(4)：39-47. TIAN Dake，GUO Zhenwei，LIU Rongqiang，et al. Design of modular space deployable antenna support mechanism[J]. Spacecraft Engineering，2021，30(4)：39-47
[17] 孙建伟，张世梁，孔凡臣. 基于蜘蛛网结构的伞状可展机构设计与分析[J]. 中国机械工程，2019，30(13)：1613-1620. SUN Jianwei，ZHANG Shiliang，KONG Fanchen. Design and analysis for umbrella-type deployable mechanism based on the structure of spider web[J]. China Mechanical Engineering，2019，30(13)：1613-1620.
[18] 史创，郭宏伟，刘荣强，等. 双层环形可展开天线机构设计与力学分析[J]. 哈尔滨工业大学学报，2017，49(1)：14-20. SHI Chuang，GUO Hongwei，LIU Rongqiang，et al. Mechanism design and mechanical analysis of a double-layer loop deployable antenna[J]. Journal of Harbin Institute of Technology，2017，49(1)：14-20.
[19] SHAN Minghe，GUO Hongwei，LIU Rongqing，et al. Design and analysis of a triangular prism modular deployable mast[C]// 2013 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation. Takamatsu：IEEE，2013：1546-1551.
[20] 周彦. 含弹性构件的铰接式可展开支撑臂设计与分析[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2015. ZHOU Yan. Design and analysis of a deployable articulated mast including flex parts[D]. Harbin：Harbin Institute of Technology，2015.

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Design and Mechanical Analysis of Cable Rod Truss Deployable Mechanism

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[1]	田宇, 王洪波, 刘颖, 杜家正, 牛建业. 一种食指康复外骨骼机器人设计与分析[J]. 机械工程学报, 2023, 59(9): 40-50.
[2]	张英, 冯征征, 李剑, 魏世民, 廖启征. 基于CGA的7自由度冗余机械臂逆运动学臂型角参数化方法[J]. 机械工程学报, 2023, 59(23): 68-75.
[3]	严鲁涛, 王琦, 李海源, 张勤俭. 基于形状记忆合金驱动的连续体机器人路径规划[J]. 机械工程学报, 2023, 59(15): 50-61.
[4]	贾广鲁, 李兵, 戴建生. 变胞折块机构：圆柱体/圆锥体切割链接而成的变胞折块机构设计与运动学分析[J]. 机械工程学报, 2023, 59(13): 24-35.
[5]	田大可, 高海明, 金路, 范小东, 刘荣强, 郭振伟, 赵丙峰. 多构型组合式模块化可展开天线机构设计与分析[J]. 机械工程学报, 2023, 59(13): 36-48.
[6]	肖航, 吕胜男, 李龙, 罗斯达, 段海滨, 丁希仑. 基于线性互补理论的可展开索-桁架结构静力学分析[J]. 机械工程学报, 2022, 58(5): 18-25.
[7]	杨洋, 陈子路, 广晨汉, 郑昱, 林闯. 一种用于眼内手术的混联机构设计与运动学分析[J]. 机械工程学报, 2022, 58(3): 36-44.
[8]	杨慧, 冯健, 刘永斌, 刘荣强. 百米级多超弹性铰链抛物柱面天线折展机构设计与运动学分析[J]. 机械工程学报, 2022, 58(3): 75-83.
[9]	卢宗兴, 苏永生, 东辉, 李胤增, 赵栋哲. 基于足底力反馈的踝关节主被动康复策略[J]. 机械工程学报, 2022, 58(21): 50-59.
[10]	闫辉垠, 李传扬, 郭宏伟, 郭文尚, 刘荣强, 唐德威, 李兵. 面向空间应用的3-R(SRS)RP多环机构操作臂结构设计及逆运动学分析[J]. 机械工程学报, 2021, 57(7): 1-9.
[11]	刘承磊, 张建军, 牛建业, 刘腾, 戚开诚, 郭士杰. 面向踝关节康复的四自由度广义球面并联机构运动学性能*[J]. 机械工程学报, 2021, 57(21): 45-54.
[12]	张明路, 王哲, 李满宏, 张建华, 陈俊杰. 基于足端位置的六足机器人漫游地形感知与表征[J]. 机械工程学报, 2021, 57(19): 48-60.
[13]	蔡敢为, 黄一洋, 田军伟, 龚俊杰, 韦为, 邢树鑫. 一种新型正铲液压挖掘机工作机构的研究[J]. 机械工程学报, 2021, 57(13): 132-143.
[14]	秦波, 吕胜男, 刘全, 丁希仑. 可展收抛物柱面天线机构的设计及分析[J]. 机械工程学报, 2020, 56(5): 100-107.
[15]	畅博彦, 杨帅, 金国光, 张转, 朱永杰. 基于直线驱动的空间可展机构运动分析[J]. 机械工程学报, 2020, 56(5): 192-201.