天津大学何柏岩教授团队：环形天线展开动力学建模与驱动方案研究|CJME论文推荐|何柏岩|动力学|天津大学|实验|桁架|环形天线|索网

引用论文

He, B., Jia, L., Li, K. et al. Deployment Dynamic Modeling and Driving Schemes for a Ring-Truss Deployable Antenna. Chin. J. Mech. Eng. 37, 79 (2024). https://doi.org/10.1186/s10033-024-01065-x

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研究背景及目的

星载环形桁架可展天线具有重量轻、精度高、展收比大等特点，广泛应用于通讯、导航、遥感等领域。其在发射时折叠收拢，入轨后展开并形成网状反射面。对展开过程进行动力学建模和性能分析是保障其顺利平稳展开的有效手段。本文旨在建立柔索与桁架耦合的动力学模型；基于展开性能需求，探讨驱动方案与参数配置对动力学行为的影响。

研究方法

基于Lagrange第一类动力学方程和Hooke定律，建立了刚性桁架-柔性索网展开动力学模型，实现了桁架大范围刚体运动与索网弹性变形实时耦合，有效描述了展开过程中桁架与索网交互的动力学行为。提出了基于数值积分和非线性求解的嵌套算法，实现了动力学方程的高效解算。

图1 环形天线展开动力学模型

试验验证

制作了缩比样机，索网采用凯夫拉索编织，杆件采用6061铝合金管材制造，铰链、锁定机构采用树脂材料3D打印，索段连接器采用尼龙3D打印，其余构件如销轴、卡簧、扭簧等为标准件。索段采用压紧端子成结并通过索段连接器互联，索网通过与铰链销轴挂接方式与桁架连接。样机由伺服电机带动绳索实现驱动，通过运动控制器进行伺服电机扭矩控制。

展开实验输入为电机驱动转矩，输出为桁架单元展开角，利用加速度传感器测量桁架节点加速度，通过将其积分获取桁架节点的位移变化，进而通过几何转化关系将其转换为桁架单元展开角变化。对比了展开实验测试数据与动力学仿真计算结果，验证本文动力学建模方法的准确性。

图2 缩比样机与展开实验

结果

将展开口径为0.75m的缩比样机某一竖杆与机架连接，驱动电机放置在机架上端，电机转动带动卷筒，进而带动驱动绳索收缩，在12N的驱动绳索作用力下，经历6.06s到达预设角度1.5rad，完成桁架展开并锁定。展开过程中，由于摩擦、间隙等因素，实验曲线出现了小幅振荡。展开角在初期和中期变化缓慢，展开末期迅速增大，展开第4.86s时，桁架节点最大加速度为2.68m/s^2，展开第5.47s时，最大角速度为1.12rad/s，展开结束时展开角为1.5rad。实验数据与动力学模型计算结果一致。

结论

（1）建立了环形天线展开动力学模型，实现了刚性桁架和柔性索网的实时耦合。

（2）提出了面向动力学品质需求的驱动与参数设计，有助于天线平稳顺利展开。

（3）制作了六单元缩比样机并进行了展开实验，验证了本文方法的正确性。

前景与应用

本文提出一种通用的索-桁可展结构耦合动力学建模方法，研究了驱动方式和参数配置对展开动力学性能的影响。从动力学行为与评价的角度，可对不同拓扑的索网和多种构型的桁架组合进行分析、改进乃至创新设计，从而为工程设计与应用提供理论基础与建模方法。

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[1] Y Zhang, D Yang, Z Sun, et al. Winding strategy of driving cable based on dynamic analysis of deployment for deployable antennas. Journal of Mechanical Science and Technology, 2019, 33(11): 5147-5156.

[2] X Qi, H Huang, B Li, et al. A large ring deployable mechanism for space satellite antenna. Aerospace Science and Technology, 2016, 58: 498-510.

[3] J Zhao, J Yang, Y Xiao, et al. Deployment strategy and dynamic analysis of large ring truss antenna. International Journal of Aerospace Engineering, 2022: 1-9.

[4] 周志成, 董富祥. 空间大型天线多体动力学分析. 北京: 中国宇航出版社, 2015.

作者团队介绍

何柏岩，博士，天津大学教授，博士生导师，机构理论与装备设计教育部重点实验室副主任，国家重点研发计划项目负责人。美国The University of Michigan-Ann Arbor及德国Saarland University/Fraunhofer IZFP 访问学者。中国机械工程学会高级会员、中国机械工程学会机器人分会常务委员、中国振动工程学会理事。主要从事机械多体系统动力学与控制、可展结构创新设计理论与方法、机构与机器人动力学、结构设计与有限元技术等领域的研究工作。主持国家自然科学基金、国家重点研发计划项目与课题等项目30余项，发表论文90余篇。以第1完成人获得2023年度天津市技术发明一等奖1项；以参加人获国家科技进步二等奖1项，中国机械工业科学技术一等奖1项、二等奖1项，天津市科技进步一等奖1项。

团队研究方向

多体系统动力学与控制、复杂工程装备分析与设计、航天可展结构设计理论。

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[2] B Y He, K K Li, R Nie, et al. Deployment modeling for soft cable networks from slack to tension. International Journal of Mechanical Sciences, 2022, 221:107225.

[3] P F Yuan, B Y He, R Nie, et al. Member importance prediction and failure response analysis for cable network antennas. Engineering Structures, 2022, 266: 114626.

[4] B Y He, X F Dong, R Nie, et al. Comprehensive shape memory alloys constitutive models for engineering application. Materials Design, 2023, 225: 111563.

作者：何柏岩

责任编辑：谢雅洁

责任校对：向映姣

审核：张强

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