太阳能帆板关节展开机构的设计与实现

【摘要】：随着科学技术的飞速发展，以及空间探索活动的不断增多，人们对航天器机构在功能、精度、稳定性以及可靠性方面的要求日益提高，目前的一些航天器机构已经渐渐不能满足人们的要求。本课题正是基于这种背景下，提出了一种新型的“太阳能帆板关节展开机构”，该机构是根据电磁体和永磁体的相互作用原理进行设计制造的。本文正是以实现该机构为研究目标，从基础理论、结构设计与优化分析、试验测试及相关控制技术几方面进行了系统的研究。全文主要有以下四个方面的内容： (1)介绍关节展开机构的核心部件—电磁永磁驱动关节的设计方案和驱动原理，建立其数学模型。通过软件Ansoft Maxwell对方案进行了电磁场有限元仿真，计算结果证明了方案的可行性。根据磁路相关原理建立了驱动关节的电磁扭矩估算模型，并基于该模型建立了系统动力学方程。 (2)介绍电磁永磁驱动关节的详细设计过程，并对样机进行试验测试研究。设计并加工初级样机，通过测试分析对其结构进行改进设计，完成驱动关节样机的实现，对样机扭矩特性进行详细测试分析，结果表明，样机具有起动扭矩大、过程扭矩平稳、扭转刚度可调等特点。 (3)介绍基于关节展开机构的太阳能帆板的有限元模态分析，详细研究展开关节扭转刚度对帆板整体模态的影响。结果表明，扭转刚度对帆板整体模态影响较大，可以通过关节展开机构，对帆板整体的动力学特性进行调节。 (4)介绍关节展开机构及其系统的控制方法，搭建试验平台，验证关节展开机构的性能。从开环控制、闭环控制以及振动控制三个方面对太阳能帆板展开系统进行了仿真和试验测试研究，试验结果表明，关节展开机构较好的实现了预期功能。 【关键词】：太阳能帆板 驱动关节 展开机构 电磁永磁复合驱动 模态分析
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：V442
【目录】：

• 摘要6-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-21
• 1.1 引言12
• 1.2 卫星展开机构研究现状12-17
• 1.2.1 卫星展开机构的结构形式13-16
• 1.2.2 卫星展开机构驱动方式比较16-17
• 1.2.3 卫星展开机构的设计要求17
• 1.3 课题研究的目的和意义17-19
• 1.3.1 卫星展开机构存在的问题17-19
• 1.3.2 课题研究的目的和意义19
• 1.4 论文组成框架和主要研究内容19-21
• 第二章 电磁-永磁驱动关节的设计方案及理论建模分析21-49
• 2.1 引言21-22
• 2.2 磁性材料基础22-27
• 2.2.1 软磁材料22-23
• 2.2.2 永磁材料23-27
• 2.3 电磁永磁驱动关节的设计方案27-38
• 2.3.1 驱动关节的概念设计27-30
• 2.3.2 驱动方案分析及电磁体结构的初步确定30-38
• 2.4 电磁永磁驱动关节的理论建模分析38-48
• 2.4.1 电磁场分析与计算方法38-39
• 2.4.2 磁路分析方法与磁力计算方法39-42
• 2.4.3 驱动关节的数学模型42-48
• 2.5 本章小结48-49
• 第三章 电磁-永磁驱动关节的详细设计及试验研究49-76
• 3.1 引言49
• 3.2 驱动关节初级样机的设计与实现49-52
• 3.2.1 驱动关节初级样机的设计49-50
• 3.2.2 基于初级样机三维模型的有限元仿真分析50-51
• 3.2.3 初级样机的实现51-52
• 3.3 驱动关节初级样机的试验测试与分析52-61
• 3.3.1 电磁体构件磁场测试54-55
• 3.3.2 初级样机电磁扭矩测试55-60
• 3.3.3 理论分析、仿真与测试结果60-61
• 3.4 驱动关节的结构优化与样机实现61-67
• 3.4.1 磁路优化设计61-63
• 3.4.2 电磁体构件端面形状优化63-66
• 3.4.3 驱动关节样机的实现66-67
• 3.5 驱动关节样机的扭矩特性测试67-72
• 3.6 关节展开机构的实现72-74
• 3.7 本章小结74-76
• 第四章 基于关节展开机构的太阳能帆板模态分析76-86
• 4.1 引言76
• 4.2 太阳能帆板结构特点分析76-77
• 4.3 矩形帆板模态分析的数学模型77-80
• 4.3.1 解析模型78-79
• 4.3.2 有限元模型79-80
• 4.4 展开状态下太阳能帆板的有限元模型80-82
• 4.5 数值计算及结果分析82-85
• 4.5.1 太阳能帆板模态与振型图82-84
• 4.5.2 结果分析84-85
• 4.6 本章小结85-86
• 第五章 关节展开机构及其系统的控制与试验研究86-103
• 5.1 引言86
• 5.2 关节展开机构控制方法与系统仿真86-92
• 5.2.1 关节展开机构的控制方法86-90
• 5.2.2 关节展开机构的控制系统仿真90-92
• 5.3 关节展开系统的试验测试92-99
• 5.3.1 关节展开系统的试验平台搭建92-96
• 5.3.2 关节展开系统的试验测试96-99
• 5.4 单块太阳能帆板的模态测试99-101
• 5.5 本章小结101-103
• 第六章 全文总结103-105
• 6.1 主要结论103
• 6.2 主要创新103-104
• 6.3 研究展望104-105
• 参考文献105-109
• 致谢109-110
• 攻读硕士学位期间已发表或录用论文110-111
• 攻读硕士学位期间参与的科研项目111-112
• 附件：关节展开机构关键部件装配图与零件图112-117

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