可展开四棱锥单元构型综合与模块化阵面天线机构设计

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1、博士学位论文可展开四棱锥单元构型综合与模块化阵面天线机构设计CONFIGURATIONSYNTHESISOFDEPLOYABLERECTANGULARPYRAMIDUNITANDMECHANISMDESIGNFORMODULARARRAYANTENNA王岩哈尔滨工业大学2015年9月国内图书分类号：V443.4学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工学博士学位论文可展开四棱锥单元构型综合与模块化阵面天线机构设计博士研究生：王岩：导师：刘荣强教授申请学位：工学博士学科：航空宇航制造工程所在单位：机电工程学院答辩日

2、期：2015年9月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:V443.4U.D.C:621DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringCONFIGURATIONSYNTHESISOFDEPLOYABLERECTANGULARPYRAMIDUNITANDMECHANISMDESIGNFORMODULARARRAYANTENNACandidate：WangyanSupervisor：Prof.LiuRongqiangAcademicDegreeAppliedfor：

3、DoctorofEngineeringSpeciality：AeronauticsandAstronauticsManufacturingEngineeringAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：September,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要星载合成孔径雷达（SAR）广泛应用于高分辨率对地观测领域。近年来，更高观测分辨率和更大成像幅宽的发展趋势致

4、使SAR阵面尺寸越来越大，需要应用可展开机构对SAR阵面进行展开和支撑，以满足大型SAR天线可展收、高刚度和高精度的性能要求。未来的星载SAR阵面长度将达数十米，迫切需要发展一种新型模块化可拓展的可展开机构。同时，模块化可展开机构是一类多闭环、柔性度较高的复杂空间机构，具有一些不同于其他类型机构的特征。它的一些未被解决的共性问题，如拓扑结构描述与分析方法、过约束构型的综合方法、设计参数与约束关联性解耦的设计方法、展开过程准确分析和指标描述手段等，仍制约着可展开机构技术发展与工程应用。本文首先提出一种可展开机构拓扑结构分析和设

5、计的三步法：1）概念设计构型提出；2）拓扑结构分析；3）运动副的确定。根据宇航可展开机构应用情况，对本文所研究的可展开机构单元进行定义和分类。建立以加权图谱和加权邻接矩阵来表达可展开单元概念设计构型，进而提出可展开单元概念设计构型的生成流程A和B；以拓扑图描述可展开单元各构件间连接关系，并提出构建可展开单元拓扑图的流程C；给出可展开单元运动副分配的原则，进而提出可展开单元运动副确定流程（流程D）。根据流程A-D，系统的对空间四棱锥可展开单元进行拓扑结构分析和设计，得到11种可收拢到平面状态的新型可展开四棱锥单元。基于螺旋理论

6、，对含过约束的可展开四棱锥单元进行系统的综合。分析了可展开四棱锥单元可能的过约束情况，并给出其旋量表示。基于虚功原理，推导可展开机构过约束下可连续折展的条件，进而提出含过约束可展开机构构型综合流程。基于该流程，分别对十二种公共约束下和冗余约束下四棱锥可展开单元进行系统的综合，得到28种新型可收拢于平面的过约束可展开四棱锥单元，通过动力学仿真验证了这些可展开单元能够按照指定自由度进行折展运动。根据上述可展开机构设计和综合方法，提出模块化可展开机构单元方案，对单元方案进行模糊评价和优选，进而提出大型模块化阵面天线可展开机构方案。

7、建立展开运动分析模型，对可展开机构各环路运动学参数和奇异位形进行分析和解耦，并以三次多项式为驱动函数规划出可平稳无奇异展开的轨迹，解决了可展开机构展开过程中存在奇异位形的问题。并通过运动学仿真验证了该分析模型的准确性。提出可展开机构展开过程动力学分析的等效模型，大大简化了动力学建模-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文和求解的同时准确的预测展开过程所需的驱动力矩。同时为了分析可展开机构真实展开过程，建立了考虑接触摩擦的柔性可展开机构展开分析模型。分析结果表明，当考虑构件柔性时，模块化阵面天线可展开机构在展开初始加速和末了减速阶

8、段会出现四块天线面板展开不同步的现象。提出展开同步性、稳定驱动力矩和最大变形能3个性能指标，用于定量的描述可展开机构展开性能。基于响应面理论，建立性能指标的数学表达式。进而提出以性能指标为优化目标，设计和配比辅助驱动弹簧的方法解决展开不同步的问题。研究表明，优化后模块化可展开机构展开同步性