5.4.1  空间站展开机构模型

空间站展开机构为一个平面多柔体系统,图5-14a所示为机构初始收拢状态。展开机构由B₀~B₁₅共16个构件组成,通过B₀与空间站本体固结。柔性机构作展开运动时,驱动力(矩)由B₈和B₁₁两个电动机提供,同步驱动螺旋铰B₇和B₁₂作轴向旋转运动,使得B₀和B₃之间的距离以及B₃和B₆之间的距离同步缩短,B₀和B₆之间的距离增大,同时驱动其他机构系统构件共同运动,直到机构完全展开,图5-14b所示为机构已展开状态。

柔性展开机构中的大尺寸轻质构件B₁、B₂、B₄、B₅、B₁₃、B₁₄和B₁₅在展开过程中可能产生较大的变形,将它们作为等截面均质柔性梁,作为柔性构件进行研究,机构中其他构件作为刚体构件。柔性构件的长度为500mm,其密度为7.8×10³kg/m²,弹性模量为2.0×10⁹N/m²。

柔性展开机构在初始时刻为静止状态,假设在初始时刻各个柔性构件无弹性变形。要求机构从开始运动到完成展开运动的时间是30s,柔性展开机构完成运动功能后仍然要求处于静止状态。在机构整个运动过程中,柔性构件要进行大范围的平移运动和旋转运动,例如构件B₅和B₁₃要进行平移运动,构件B₂和B₁₄要进行旋转运动,而构件B₄和B₁₅既有平移运动也存在旋转运动,构件B₁的运动则为其他构件运动牵连而产生的弹性振动。

图5-14 空间站柔性展开机构

a)初始状态示意图 b)展开状态示意图

柔性展开机构从收拢状态到展开状态的运动过程中,机构系统中构件的位移、速度、加速度、力(矩)等动态参数将发生变化,构件的动态应力和应变也随时间变化。因此,柔性机构的动态可靠性不仅要求动态强度满足动力学设计指标,运动学动态参数也需满足要求。

为了准确描述柔性展开机构的运动,同时减少重复性计算工作,有代表性地选择只具有大范围旋转运动的构件B₂以及只具有大范围平移运动的构件B₅作为研究对象,对柔性展开机构中运动学和动力学参数极值的动态可靠性进行分析和计算。采用的方法分别为MC方法、ANN-MC方法、AFSOM方法和ANN-RSM方法,并对各种方法计算结果进行对比。

确定柔性机构系统的随机变量为:驱动力矩M_d、摩擦力矩M_f(单位N·mm)、驱动时间t(单位s)、阻尼系数f以及装配误差(为便于计算,以坐标x_p和yp表示,单位mm)。上述随机变量的设计值和方差、100组抽样数据的均值和方差见表5-4。

表5-4 随机变量抽样数据的均值及方差