球铰接杆式支撑臂斜拉索组件的参数影响分析

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1、2015年4月第2期中国空间科学技术ChineseSpaceScienceandTechnology球铰接杆式支撑臂斜拉索组件的参数影响分析黎彪刘志全程刚丁锋(中国空间技术研究院，北京100094)摘要文章分析了斜拉索倾角对支撑臂剪切刚度和扭转刚度的影响．给出了一定横杆长度下斜拉索倾角的最佳取值范围。以支撑臂杆件不发生屈曲失效和支撑臂在最大负载下不发生坍塌为准则，给出了斜拉索预张力的上下限。基于Hertz接触理论，推导了斜拉索预张力与球铰副接触刚度的关系，将关系式引入支撑臂单元段的有限元模型中，进行了模态分析．给出了斜

2、拉索预张力对单元段一阶弯曲频率的影响曲线。分析结果表明，单元段一阶频率先随着斜拉索预张力的增加而增加，但当预张力超过一定值后，预张力的增加反而会使一阶频率降低；得到了斜拉索预张力优选范围。推导了锁定装置解锁力与支撑臂收拢时所需外力矩的关系，利用ADAMS软件对展开／收拢过程的扭矩进行了仿真，对支撑臂单元段展开／收拢过程中所需力矩进行了试验测试，试验结果表明，力矩的理论计算及仿真与试验结果基本吻合，误差在3％以内，证明了理论计算与仿真的正确性。研究结果为球铰接杆式支撑臂中斜拉索组件设计提供了理论依据。关键词球铰接杆式支撑

3、臂；斜拉索；预张力；锁定力；解锁力D()I：10．3780／i．issn．1000—758X．2015．02．0051引言球铰接杆式支撑臂(下文简称“支撑臂”)在大型柔性太阳翼、太阳帆等领域具有广泛的应用前景。斜拉索组件是支撑臂的关键组成部分，为支撑臂提供扭转刚度和剪切刚度一1。斜拉索组件的结构参数(斜拉索倾角)和力学参数(斜拉索预张力)对支撑臂刚度有较大影响，锁定装置的锁定力、解锁力决定着支撑臂的展开／收拢过程中所需外力矩。因此，对斜拉索组件结构和力学参数的影响分析将为支撑臂的设计和工程应用提供重要参考。文献[2]根

4、据工程经验给出了支撑臂剪切刚度、扭转刚度的经验公式，但公式中有关系数与支撑臂的构型和长度等因素相关，对不同的支撑臂均需要进行标定。文献[3]以支撑臂的一个侧面为研究对象，指出斜拉索预张力存在最优值使结构的频率最大，文献[4]分析了斜拉索预张力对支撑臂弯曲刚度的影响，但文献[3]、[4]均忽略了预张力对球铰副接触刚度的贡献。文献[5]设计了一种典型的斜拉索组件锁定装置，阐述了锁定装置的T作原理，但未给出锁定装置中锁定力、解锁力的设计依据。文献[6]推导了支撑臂展开过程中所需的外力矩，但未给出外力矩与锁定装置锁定力之间的关

5、系。针对上述问题，本文将基于等效连续体模型分析斜拉索倾角对支撑臂剪切刚度和扭转刚度的影响；基于Hertz接触理论和有限元分析获得斜拉索预张力对支撑臂一阶弯曲频率的影响关系；分析锁定装置锁定力与单元段展开时所需外力矩的关系，以期为球铰接杆式支撑臂中斜拉索组件的设计提供理论依据。收稿日期：2014-12—24。收修改日期：2015-01一0834中国空间科学技术2015年4月2斜拉索组件的组成及工作原理支撑臂组成如图1所示，其中单元段侧面斜拉索组件的组成如图2(a)所示。单元段中沿展开方向的杆件AA，、BB。等杆件为纵梁，

6、垂直于展开方向的AB、BC等杆件为横杆，横杆与纵梁之间采用球铰副连接。单元段的每个侧面包含了1个锁定装置和4段拉索。以侧面ABB。A。为例，拉索1和拉索2为同一根连续的拉索，可绕锁定装置中的滑轮运动，拉索3两端分别固定在锁定装置和横向框架球铰处，拉索4采用与拉索3相同的连接方式。锁定装置的结构主要包括滑轮、锁定簧片、锁定球和壳体，如图2(b)所示。B(a)单元段侧面的斜拉索组件拉组件罔I球铰接杆式支撑臂的组成Fig．1ConfigurationofADAM—typemas拉索3拉素4(b)锁定装置的结构图2斜拉索组件的

7、组成Fig．2Configurationofdiagonalcomponent支撑臂展开到位的锁定是通过锁定装置实现的。假定下横向框架ABcD固定，外力矩驱动上横向框架A，B，C，D。旋转升高，实现单元段的展开。在展开过程中拉索2逐渐变长，拉索l逐渐变短，拉索1和拉索2的拉力始终相等。随后，当固联在拉索1上的锁定球接触到锁定簧片时，拉索2的拉力必须大于锁定簧片的阻力与拉索1拉力之和，从而使锁定球进入锁定簧片组成的凹槽中，实现了单元段的锁定。在整个展开过程中，拉索3和拉索4始终处于随动状态。反之，在收拢过程中，拉索1的拉

8、力需大于锁定簧片的阻力和拉索2的拉力之和，将锁定球从凹槽中释放，实现单元段的解锁。3斜拉索倾角对支撑臂扭转刚度和剪切刚度的影响文献E7]基于等效连续体模型，推导了支撑臂的剪切刚度GA和扭转刚度GJ分别为GA一4E。A。_=兰些JtanZ／?-F1。GJ一4E。A。{型兰刍一GA．S2~／tan2口+14式中E。为斜拉索的弹性模量；