题目：盘绕式伸展臂性能分析与设计

空间伸展臂是一种一维线性空间伸展机构，用于实现空间折叠展开运动功能，并在展开后提供结构支撑。其中，盘绕式伸展臂是一种利用弹性细杆螺旋盘绕实现伸展与收拢的空间伸展臂，具有可靠性高、展开和收拢方式灵活、低磁甚至无磁、压缩比大、比质量小、热稳定性好等优点。

论文以盘绕式伸展臂的设计为出发点，以伸展臂的逐层展开和刚度为设计要求展开研究工作。在以往的应用中，盘绕式伸展臂的设计并没有考虑伸展臂的展开模式以及展开后的振动问题。本文通过理论、仿真与试验相结合的方法，研究盘绕式伸展臂设计参数对展开模式及展开后基频特性的影响，并提出一套更为合理的改进设计方法，由此设计并研制改进型伸展臂地面样机，以试验结果对本文的设计理论进行验证。

首先，研究盘绕式伸展臂的展开模式问题。借助MSC.ADAMS宏命令参数化建模语言建立仿真模型，使用离散柔性连接件建立盘绕式伸展臂的横、纵杆模型，使用运动副和相互作用力模拟铰链与斜拉索的作用。该模型可以很好的模拟盘绕式伸展臂的预紧、生成过渡段及展开等变形过程。以此模型为基础，研究盘绕式伸展臂在中心绳索控制下的两种展开模式：螺旋展开与逐层展开。根据仿真结果，若第2层横杆在压力足够大时发生“snap through”效应使得第一节纵杆伸直，则伸展臂可以逐层展开。由此建立盘绕式伸展臂能否形成逐层展开模式的判据，利用Kirchhoff动力学比拟理论对伸展臂弹性细杆的变形进行分析，建立盘绕式伸展臂设计参数与展开模式之间的关系图，从展开模式角度给出盘绕式伸展臂的设计参考。

其次，研究盘绕式伸展臂展开后的基频特性。在Ansys中建立盘绕式伸展臂的有限元模型。使用刚度较小的杆单元模拟弯曲后的横杆拉压状态，通过设置预应变并进行静力分析的方法，给伸展臂加载预紧力。将斜拉索松弛前后的两种状态作为两种结构分别计算其振动基频，按分段线性系统建立盘绕式伸展臂振动模型，使用等价线性化方法得到其等效基频随端部振幅的变化规律——由于伸展臂振幅较大导致斜拉索松弛后，等效振动频率随振幅增大而减小。在此基础上分析质量端、预紧力以及其它构型参数对盘绕式伸展臂基频的影响，从刚度设计角度为伸展臂的参数设计提供参考。

第三，考虑盘绕式伸展臂的展开模式与基频要求重新制定伸展臂设计方法，据此设计并研制了改进型伸展臂地面样机。该伸展臂样机改善了横杆变形，同时新的装配设计使预紧力的加载更为均匀，并提高了装配精度。

最后，以盘绕式伸展臂地面样机为对象进行试验测试，包括伸展臂基频测试，伸展臂零重力展开试验以及展开模式试验。通过测量基频，验证前文得到的关于盘绕式伸展臂基频的变化规律；通过零重力展开试验，验证盘绕式伸展臂地面样机能否顺利展开，并为展开模式试验做准备；对不同构型参数的盘绕式伸展臂进行零重力展开试验，比较其展开过程，验证本文所述盘绕式伸展臂展开模式的结论。试验结果表明：本文关于盘绕式伸展臂的展开模式及基频特性的结论符合伸展臂的实际特性，根据该结论可以有效改善伸展臂性能。