留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

套筒型螺旋展开盘绕式伸展臂的设计与分析

张策 黄海 刘宇 刘拴军

张策,黄海,刘宇,等. 套筒型螺旋展开盘绕式伸展臂的设计与分析[J]. 北京航空航天大学学报,2025,51(11):3934-3944 doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2023.0642
引用本文: 张策,黄海,刘宇,等. 套筒型螺旋展开盘绕式伸展臂的设计与分析[J]. 北京航空航天大学学报,2025,51(11):3934-3944 doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2023.0642
ZHANG C,HUANG H,LIU Y,et al. Design and analysis of a sleeve type spiral deployment coilable mast[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2025,51(11):3934-3944 (in Chinese) doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2023.0642
Citation: ZHANG C,HUANG H,LIU Y,et al. Design and analysis of a sleeve type spiral deployment coilable mast[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2025,51(11):3934-3944 (in Chinese) doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2023.0642

套筒型螺旋展开盘绕式伸展臂的设计与分析

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2023.0642
基金项目: 

国家自然科学基金(11672016)

详细信息
    通讯作者:

    E-mail:hhuang@buaa.edu.cn

  • 中图分类号: V423.4

Design and analysis of a sleeve type spiral deployment coilable mast

Funds: 

National Natural Science Foundation of China (11672016)

More Information
  • 摘要:

    针对螺旋展开盘绕式伸展臂的设计和伸展臂能否顺利收展的关键问题,提出一种螺纹筒和直导轨筒组合作用的套筒型螺旋展开盘绕式伸展臂的研制方案。为预测地面样机的整体性能,采用虚拟样机技术,基于ADAMS软件,建立了套筒型螺旋展开盘绕式伸展臂的动力学仿真模型,对伸展臂的收拢和展开过程进行了仿真分析,并得到了横杆在过渡区处于后屈曲状态的变形特性。通过装配的地面样机进行了伸展臂收拢和展开地面试验,在伸展臂的变形过程中,通过观察三角横框的失稳变形得到了伸展臂利用元件失稳的工作原理,并通过试验方法,将在收展过程中伸展臂长度随底盘转角之间的变化关系曲线,以及伸展臂在过渡区的盘绕半径变化与仿真结果进行了对比,验证了仿真模型的正确性和设计方案的可行性。

     

  • 图 1  套筒型螺旋展开盘绕式伸展臂设计

    Figure 1.  Sleeve type spiral deployment coiled extension arm design

    图 2  机构设计

    Figure 2.  Mechanical design

    图 3  内螺纹圆柱筒

    Figure 3.  Cylindrical cylinders with internal thread

    图 4  滚柱在直导轨中

    Figure 4.  Roller in straight guideway

    图 5  伸展臂结构形式

    Figure 5.  Extension arm structure form

    图 6  伸展臂根部转动设计

    Figure 6.  Extension arm root rotation design

    图 7  伸展臂整体模型

    Figure 7.  Numerical model of extension arm

    图 8  转动副

    Figure 8.  Rotation joint

    图 9  一节伸展臂建模示意图

    Figure 9.  Schematic diagram for modeling one extension arm

    图 10  两节伸展臂示意图

    Figure 10.  Schematic of a two-section extension arm

    图 11  Step函数示意图

    Figure 11.  Step function schematic

    图 12  滚柱、导轨示意图

    Figure 12.  Schematic diagram of rollers and guide rails

    图 13  铰链示意图

    Figure 13.  Schematic diagram of hinge

    图 14  螺母、滚柱接触

    Figure 14.  Nut and roller contact

    图 15  3条螺纹中心线

    Figure 15.  Three thread centre lines

    图 16  滚柱受力示意图

    Figure 16.  Schematic diagram of roller force

    图 17  防穿透处理

    Figure 17.  Anti-penetration treatment

    图 18  碰撞力曲线

    Figure 18.  Collision force curve

    图 19  滚柱脱离导轨

    Figure 19.  Rollers off the guideway

    图 20  引导槽示意图

    Figure 20.  Schematic diagram of guide channel

    图 21  伸展臂收拢和展开全过程

    Figure 21.  The whole process of retraction and extension of the arm

    图 22  底盘转速

    Figure 22.  Chassis rotation speed

    图 23  底盘所受切向力

    Figure 23.  Tangential force on the chassis

    图 24  滚柱受力

    Figure 24.  Roller force

    图 25  横杆变形特性

    Figure 25.  Deformation characteristics of crossbar

    图 26  纵、横杆相交设计

    Figure 26.  Longitudinal and batten intersection design

    图 27  装配完成的铰链

    Figure 27.  Completed hinges assembly

    图 28  直导轨设计

    Figure 28.  Straight guideway design

    图 29  地面样机

    Figure 29.  Ground prototype

    图 30  试验设备

    Figure 30.  Testing equipment

    图 31  地面样机收拢展开全过程

    Figure 31.  The whole process of ground prototype retraction and extension

    图 32  横杆变形

    Figure 32.  Batten deformation

    图 33  纵杆根部转动

    Figure 33.  Longeron bar root rotation

    图 34  纵杆形成螺旋线

    Figure 34.  The longitudinal bar forms a helix

    图 35  收拢过程对比

    Figure 35.  Comparison of retraction process

    图 36  展开过程对比

    Figure 36.  Comparison of Extension Processes

    图 37  盘绕半径变化对比

    Figure 37.  Comparison of Coil Radius Change

    表  1  材料参数

    Table  1.   Material parameters

    参数 弹性模量/GPa 泊松比σ 密度/(t·m−3)
    纵杆及横杆 33.87 0.3 6.44
    下载: 导出CSV

    表  2  不同收藏高度与仿真结果的关系

    Table  2.   Relationship between different collection height and simulation results

    收藏高度/mm 仿真结果
    180 收展失败
    190 收展失败
    195 收展失败
    200 收展失败
    205 收展失败
    210 收展成功
    下载: 导出CSV

    表  3  不同横杆半径与仿真结果的关系

    Table  3.   Relationship between different batten radius and simulation results

    横杆半径/mm 仿真结果
    0.5 收展失败
    0.55 收展失败
    0.6 收展失败
    0.65 收展成功
    0.7 收展成功
    0.8 收展成功
    下载: 导出CSV

    表  4  钛镍合金材料参数

    Table  4.   Titanium-nickel alloy material parameters

    材料性能 参数
    密度/(g·cm−3) 6.4~6.5
    弹性模量/GPa 28~41
    最大回复应力/MPa 600
    下载: 导出CSV
  • [1] TIBERT G. Deployable tensegrity structure for space application[D]. Stockholm: KTH Royal institute of technology, 2002.
    [2] 刘志全, 黎彪, 程刚. 构架式空间可展开支撑臂[J]. 中国空间科学技术, 2011, 31(2): 32-38.

    LIU Z Q, LI B, CHENG G. Review of deployable-truss masts for space application[J]. China Space Science and Technology, 2011, 31(2): 32-38(in Chinese).
    [3] 周思达, 周小陈. 空间伸展臂的技术现状与难点[J]. 中国空间科学技术, 2014, 34(6): 38-50. doi: 10.3780/j.issn.1000-758X.2014.06.006

    ZHOU S D, ZHOU X C. Development and technical difficulties of deployable space masts[J]. Chinese Space Science and Technology, 2014, 34(6): 38-50(in Chinese). doi: 10.3780/j.issn.1000-758X.2014.06.006
    [4] WEEKS G E. Dynamic analysis of a deployable space structure[J]. Journal of Spacecraft and Rockets, 1986, 23(1): 102-107. doi: 10.2514/3.25090
    [5] BOWDEN M, BENTON M. Design of deployable-truss masts for space station[C]//Proceedings of the Aerospace Design Conference. Reston: AIAA, 1993: 975.
    [6] EIDEN M, BRUNNER O, STAVRINIDIS C. Deployment analysis of the Olympus astromast and comparison with test measurements[J]. Journal of Spacecraft and Rockets, 1987, 24(1): 63-68. doi: 10.2514/3.25873
    [7] 高明星, 刘荣强, 李冰岩, 等. 空间可展开三棱柱伸展臂设计与优化[J]. 机械工程学报, 2020, 56(15): 129-137. doi: 10.3901/JME.2020.15.129

    GAO M X, LIU R Q, LI B Y, et al. Design and optimization of space deployable tri-prism mast[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2020, 56(15): 129-137(in Chinese). doi: 10.3901/JME.2020.15.129
    [8] 黄海, 赵旭瑞, 孙亮, 等. 亚太大学生小卫星SSS-1系统设计与在轨试验[J]. 航空学报, 2022, 43(10): 527399. doi: 10.7527/S1000-6893.2022.27399

    HUANG H, ZHAO X R, SUN L, et al. System design and on-orbit test of Student Small Satellite-1(SSS-1)[J]. Acta Aeronautica et Astro-nautica Sinica, 2022, 43(10): 527399(in Chinese). doi: 10.7527/S1000-6893.2022.27399
    [9] MA H B, HUANG H, HAN J B, et al. Study on the criterion to determine the bottom deployment modes of a coilable mast[J]. Acta Astronautica, 2017, 141: 89-97. doi: 10.1016/j.actaastro.2017.09.035
    [10] 刘涛, 韩涵, 冀宾, 等. 盘绕式伸展机构非线性屈曲模式的试验研究与数值仿真[J]. 南京航空航天大学学报, 2015, 47(6): 897-903.

    LIU T, HAN H, JI B, et al. Experimental investigation and numerical simulation on nonlinear buckling mode of coil-able mast[J]. Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, 2015, 47(6): 897-903(in Chinese).
    [11] 张金龙, 陈务军, 张大旭, 等. 盘绕式空间伸展臂连续纵杆大转角纯弯曲试验[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2015, 36(6): 750-753. doi: 10.3969/j.issn.1006-7043.201310062

    ZHANG J L, CHEN W J, ZHANG D X, et al. Large rotation pure bending test for the continuous longeron of a coilable space mast[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2015, 36(6): 750-753(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1006-7043.201310062
    [12] 韩建斌, 王新升, 马海波. 盘绕式伸展臂展开模式的力学原理[J]. 北京航空航天大学学报, 2013, 39(9): 1168-1173.

    HAN J B, WANG X S, MA H B. Mechanical principle of the deploying mode for coilable mast[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2013, 39(9): 1168-1173(in Chinese).
    [13] 李增刚. ADAMS入门详解与实例[M]. 北京: 国防工业出版社, 2009: 125-127.

    Li Z G. Introduction and examples of ADAMS[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2009: 125-127(in Chinese).
    [14] 范成建, 熊光明, 周明飞. 虚拟样机软件MSC. ADAMS应用与提高[M]. 北京: 机械工业出版社, 2009: 85-90.

    FAN C J, XIONG G M, ZHOU M F. Application and improvement of virtual prototyping software MSC. ADAMS[M]. Beijing: China Machine Press, 2009: 85-90(in Chinese).
    [15] SWOPE R D, AMES W F. Vibrations of a moving threadline[J]. Journal of the Franklin Institute, 1963, 275(1): 36-55. doi: 10.1016/0016-0032(63)90619-7
    [16] 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. doi: 10.3873/j.issn.1000-1328.2009.00.057

    LIU R Q, GUO H W, DENG Z Q. Space cable-strut deployable articutlated mast design and experimental study[J]. Journal of Astronautics, 2009, 30(1): 315-320(in Chinese). doi: 10.3873/j.issn.1000-1328.2009.00.057
    [17] 刘延柱, 薛纭. 弹性细杆螺旋线平衡的动态稳定性[J]. 力学季刊, 2005, 26(1): 1-7. doi: 10.3969/j.issn.0254-0053.2005.01.001

    LIU Y Z, XUE Y. Dynamical stability of helical equilibrium of a thin elastic rod[J]. Chinese Quarterly of Mechanics, 2005, 26(1): 1-7(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.0254-0053.2005.01.001
    [18] 苏俊省, 王君杰, 宋彦臣, 等. 钢筋混凝土柱纵筋屈曲长度简化计算模型[J]. 工程力学, 2017, 34(2): 162-170. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.08.0634

    SU J S, WANG J J, SONG Y C, et al. Simplified calculation model of longitudinal reinforcement buckling length in RC columns[J]. Engineering Mechanics, 2017, 34(2): 162-170(in Chinese). doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2015.08.0634
    [19] TIMOSHENKO S P, GERE J M. Theory of elastic stability[M]. New York: Courier Corporation, 2012: 76-81.
  • 加载中
图(37) / 表(4)
计量
  • 文章访问数:  247
  • HTML全文浏览量:  70
  • PDF下载量:  5
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2023-10-09
  • 录用日期:  2023-12-29
  • 网络出版日期:  2024-01-18
  • 整期出版日期:  2025-11-25

目录

    /

    返回文章
    返回
    常见问答