薄膜天线人型杆折展机构及其非线性力学特性研究

For the demand of on-orbit deploying of spaceborne large scale membrane antenna, this project researches on high surface accuracy, large-scale, lightweight and large packaging efficiency membrane antenna deploying with the triangular retractable and collapsible (TRAC) boom, and dynamic behaviors. The main contents are as follows: (1) Nonlinear mechanical behaviors analyzing of wrapping process for the TRAC boom. (2) Dynamic modeling and optimization of deploying process for the TRAC boom. (3) Research on dynamics behaviors of deploying status for the membrane antenna with the TRAC boom. (4) Prototype manufacture and experiments of the membrane antenna with the TRAC boom. Through this project research, proposing analysis method for nonlinear mechanical behaviors of the TRAC boom for warping and deploying process, dynamic modeling of the membrane antenna with the TRAC boom respectively. Influence rule of nonlinear behaviors of the TRAC boom, membrane wrinkling, rope flexibility on the deploying status dynamics for the membrane antenna are revealed. Break through key scientific problems of space large membrane antenna with the TRAC boom, such as nonlinear mechanical behaviors of the TRAC, drive mechanism of the membrane antenna, deploying status dynamic modeling and analysis. The research achievement will provide theoretical support for application of space large and lightweight membrane antenna with the TRAC boom in aerospace engineering.

本项目面向星载大口径薄膜天线在轨展开需求，开展高形面精度、大口径、轻量化和大折展比的空间薄膜天线人型杆折展机构创新设计及其动力学特性研究。主要研究内容如下：(1)人型杆缠绕弯曲非线性力学特性分析；(2)人型杆展开过程动力学建模与优化；(3)薄膜天线展开态非线性动力学特性研究；(4)薄膜天线人型杆折展机构样机研制与试验研究。通过本项目研究分别提出人型杆缠绕弯曲和展开过程非线性力学特性、以及人型杆展开薄膜天线机构动力学特性建模方法，揭示超弹性杆、薄膜褶皱、绳索柔性对天线结构展开态动力学性能的影响规律，突破人型杆非线性力学特性、空间大型轻质薄膜天线展开驱动及展开态动力学建模与分析等关键科学问题，为空间大型轻质弹性杆展开薄膜天线机构的航天工程应用提供理论支撑。

本项目面向星载大口径薄膜天线在轨展开需求，开展高形面精度、大口径、轻量化和大折展比的空间薄膜天线人型杆折展机构创新设计及其动力学特性研究。按照项目预期目标圆满完成了全部工作内容，取得如下主要成果：（1）基于Calladine壳体理论和Von Karmon薄板大挠度弯曲理论，建立人型杆沿着横截面圆弧的法向位移和横向曲率的关系式，推导纯弯曲时弹性应变能数学模型。基于最小势能原理，求解人型杆缠绕弯曲时的非线性力矩模型，揭示人型杆设计参数对缠绕弯曲力矩的影响规律。加工出人型杆，对在中央产生弯曲情况的力矩进行了试验，验证了理论的准确性。（2）通过研究人型杆压扁过程中复合材料铺层角度和铺层方式对最大应力的影响，选择四层[45°/-45°/45°/-45°]铺层方式进行缠绕分析。对人型杆缠绕过程的力矩进行实验，并以此修正缠绕过程的仿真模型。采用响应面法对人型杆进行动力学性能优化。（3）提出了新型截面的N形、M形弹性伸杆，采用协变基向量和张量分析理论建立M形杆纯弯曲过程的力矩解析模型，加工出M形杆，对其缠绕过程力矩进行测试，验证理论模型。采用多项式响应面法对N形杆和M形杆缠绕过程的力学性能进行了优化设计。（4）研制出带有径向预紧的人型杆单侧驱动机构，采用伺服电机控制滚筒运动，当人型杆展开到位之后，触发高刚度夹头，实现人型杆展开状态时根部的夹紧。加工出原理样机，分别进行了缠绕/展开试验、模态实验、人型杆纯弯曲力矩测试和缠绕过程力矩试验，验证了理论和仿真的准确性，为其应用奠定了理论和技术基础。. 本项目共发表SCI/EI论文7篇，其中一作SCI论文5篇，EI期刊2篇，申请发明专利7项，其中2项已授权。培养青年骨干教师1名，已晋升为副教授，培养硕士研究生5名。本项目研究所取得的成果可为空间无铰超弹折展机构的航天工程应用提供支撑。