空间超弹可展开机构设计与优化

　　本书概述了空间超弹可展开机构的特点与分类、发展现状与应用情况，系统介绍了空间超弹可展开机构的设计理论与优化方法。全书共分为11 章，分别介绍了空间超弹可展开机构的国内外研究现状，薄壁壳体弯曲理论，空间可展开机构性能优化的理论基础，超弹性铰链力矩特性理论建模，超弹性铰链缠绕过程力学性能分析与优化，超弹三棱柱伸展臂等效建模与实验，双层环形天线超弹可展开机构设计，人形杆单侧驱动可展开机构设计与优化，开口超弹性伸杆纯弯曲力矩建模与优化，封闭截面超弹性伸杆力学特性分析，百米级抛物柱面天线折展机构设计与分析，以期丰富和完善空间超弹可展开机构的理论体系，进一步推动空间超弹可展开机构的应用。 本书面向航天领域的科研工作者，同时亦可供高等院校航空宇航科学与技术、机械工程等相关专业的师生参考。

　　杨慧，女，博士研究生，安徽大学电气工程与自动化学院副教授。2015年杨慧于哈尔滨工业大学航空宇航制造工程专业获工学博士学位，2011年于哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室获硕士学位。2015~2021年任职于安徽大学，2022年1月起任教于燕山大学机械工程学院机器人重点实验室，研究方向：宇航空间可折展机构、机器人、变形翼骨架机构等。主讲《机械原理》、《机械设计》、《工程制图》和《机器人技术》等课程，主持“2020年省级线下课程-机械原理”1项。

第1章 绪论 001
1.1 概述 001
1.2 空间超弹可展开机构类型 002
1.2.1 充气式可展开机构 002
1.2.2 形状记忆型可展开机构 003
1.2.3 超弹性铰链驱动可展开机构 004
1.2.4 超弹性伸杆驱动可展开机构 006
1.3 空间超弹可展开机构力学特性研究 008
1.4 空间超弹可展开机构主要研究内容 009
1.5 本章小结 011
参考文献 011

第2章 薄壁壳体弯曲理论 014
2.1 概述 014
2.2 壳体单元的广义胡克定律 015
2.2.1 剪切变形和基尔霍夫假设 015
2.2.2 平面壳体广义胡克定律 016
2.2.3 应变能 020
2.3 对称载荷下的圆柱壳体受力分析 021
2.3.1 基本方程 021
2.3.2 控制方程及其解 023
2.4 本章小结 024
参考文献 024

第3章 空间可展开机构性能优化的理论基础 026
3.1 概述 026
3.2 代理模型方法 027
3.2.1 多项式响应面法 027
3.2.2 径向基函数法 028
3.2.3 Kriging 响应面法 030
3.2.4 反向传递神经网络法 032
3.3 实验设计方法 033
3.3.1 全因子实验设计 034
3.3.2 正交实验设计 034
3.3.3 拉丁超立方实验设计 035
3.4 本章小结 036
参考文献 036

第4章 超弹性铰链力矩特性理论建模 038
4.1 概述 038
4.2 单带簧超弹性铰链峰值力矩建模分析 039
4.2.1 经典非线性弯曲力学特性 039
4.2.2 单带簧纯弯曲应变能数学建模 043
4.3 多带簧超弹性铰链力矩建模分析 052
4.3.1 多带簧超弹性铰链稳态力矩模型 052
4.3.2 对向多带簧超弹性铰链折叠峰值力矩建模 053
4.3.3 背向超弹性铰链折叠峰值力矩建模 057
4.3.4 参数研究 060
4.4 折叠峰值力矩和稳态力矩实验验证 063
4.4.1 铰链材料性能测试 063
4.4.2 单带簧超弹性铰链弯曲实验 064
4.4.3 多带簧超弹性铰链弯曲实验 070
4.5 本章小结 075
参考文献 075

第5章 超弹性铰链缠展过程力学性能分析与优化 077
5.1 概述 077
5.2 整体式双缝超弹性铰链力学性能优化 078
5.2.1 有限元模型及其实验验证 078
5.2.2 多项式代理模型 080
5.2.3 准静态多目标优化 084
5.2.4 几何参数研究 087
5.3 对向双层超弹性铰链力学性能优化 091
5.3.1 有限元模型及其实验验证 091
5.3.2 准静态折展代理模型 094
5.3.3 准静态折展优化 096
5.4 对向超弹性铰链展开过程分析与优化 098
5.4.1 展开动力学实验 098
5.4.2 对向双层超弹性铰链仿真模型修正 103
5.4.3 多项式代理模型 105
5.4.4 展开过冲角度和锁定时间优化 107
5.5 本章小结 109
参考文献 110

第6章 超弹三棱柱伸展臂等效建模与实验 111
6.1 概述 111
6.2 超弹三棱柱伸展臂等效梁建模 112
6.2.1 超弹三棱柱伸展臂设计与等效流程 112
6.2.2 超弹三棱柱伸展臂单元应变能与动能计算 114
6.2.3 连续梁理论的应用 122
6.2.4 超弹三棱柱伸展臂连续梁等效模型建立 123
6.2.5 超弹三棱柱伸展臂模态理论分析 124
6.2.6 展开状态模态仿真分析 127
6.3 静力学分析 130
6.3.1 弯曲刚度 130
6.3.2 拉伸刚度 133
6.3.3 压缩刚度 134
6.4 超弹三棱柱伸展臂实验研究 135
6.4.1 静刚度实验 136
6.4.2 展开重复精度测试 138
6.4.3 基频测试分析 139
6.5 本章小结 144
参考文献 145

第7章 双层环形天线超弹可展开机构设计 146
7.1 概述 146
7.2 双层环形天线超弹可展开机构的构型优选 146
7.2.1 基本可展开单元构建 146
7.2.2 双层环形天线超弹可展开机构构建 148
7.2.3 双层环形天线超弹可展开机构动力学特性公式化建模 153
7.2.4 不同口径下双层结构形式的选择 154
7.2.5 双层环形天线超弹可展开机构可展开条件分析 157
7.3 内外层环形天线超弹可展开天线机构设计 158
7.3.1 内外层展开单元的展开驱动设计 158
7.3.2 内外层展开机构单元设计 160
7.3.3 内外层展开单元几何参数优化设计 161
7.3.4 双层环形天线可展开机构模态分析 162
7.3.5 双层环形天线超弹可展开机构 165
7.4 环形天线可展开机构样机研制及实验分析 166
7.4.1 单层环状天线可展开单元样机研制及实验 166
7.4.2 双层环形天线可展开单元研制及实验分析 170
7.5 本章小结 171
参考文献 172

第8章 人形杆单侧驱动可展开机构设计与优化 173
8.1 概述 173
8.2 人形杆压扁过程应力分析 173
8.3 人形杆缠绕过程性能优化 178
8.3.1 缠绕过程有限元模型 178
8.3.2 缠绕过程代理模型 181
8.3.3 缠绕过程优化 184
8.4 人形杆单侧驱动机构设计与实验研究 186
8.4.1 单侧驱动机构整体结构设计 186
8.4.2 径向高刚度预紧机构 187
8.4.3 单侧驱动机构展收实验验证 188
8.5 本章小结 189
参考文献 190

第9章 开口超弹性伸杆纯弯曲力矩建模与优化 191
9.1 概述 191
9.2 M 形杆纯弯曲峰值力矩建模与分析 192
9.2.1 单片弹性伸杆弯矩求解 192
9.2.2 M 形杆中的单片杆力矩模型 197
9.2.3 M 形杆弯曲力矩建模分析 199
9.2.4 实验验证 205
9.3 N 形杆压扁过程分析与展开态刚度优化 209
9.3.1 N 形杆压扁过程应力分析 209
9.3.2 N 形杆展开态刚度优化 213
9.4 C 形杆缠绕和展开过程性能优化 220
9.4.1 有限元模型 220
9.4.2 代理模型 220
9.4.3 C 形杆缠绕和展开过程优化 223
9.5 本章小结 223
参考文献 224

第10章 封闭截面超弹性伸杆力学特性分析 225
10.1 概述 225
10.2 单元胞豆荚蜂窝杆压扁过程性能分析 226
10.2.1 几何模型 226
10.2.2 单元胞豆荚蜂窝杆压扁过程有限元模型 227
10.2.3 径向基函数代理模型 228
10.2.4 单元胞豆荚蜂窝杆压扁过程性能优化 229
10.3 四元胞豆荚蜂窝杆缠绕过程性能优化 231
10.3.1 几何模型 231
10.3.2 四元胞豆荚蜂窝杆有限元模型 231
10.3.3 反向传递神经网络法代理模型 233
10.3.4 四元胞豆荚蜂窝杆缠绕过程性能优化 235
10.4 本章小结 236
参考文献 236

第11章 百米级抛物柱面天线折展机构设计与分析 237
11.1 概述 237
11.2 抛物柱面天线可展开机构设计 238
11.2.1 多超弹性铰链抛物柱面天线可展开机构 238
11.2.2 M 形杆超弹抛物柱面天线可展开机构 245
11.3 天线折展机构静力学特性分析 248
11.3.1 机构静力学分析 248
11.3.2 轴向拉伸刚度 249
11.3.3 轴向压缩刚度 252
11.4 超弹性铰链驱动的机构运动学分析 255
11.4.1 纵向展开运动分析 255
11.4.2 横向展开运动分析 258
11.4.3 超弹性铰链逐个展开的运动情况分析 260
11.5 本章小结 262
参考文献 263