● 摘要
在航天运载和发射过程中，由于货物受到载荷舱几何尺寸的限制，卫星和空间站等航天器不可避免地大量采用可展开、可组装结构形式。可展机构通过关节运动可实现较大的尺度与构型变化。根据任务需要，该类机构可以从收拢状态运动到展开状态。可展机构大多具有多单元、多闭环、多过约束的结构特点，展开锁定后还需满足一定的刚度要求，因此，其分析和设计问题已成为航天器结构/机构技术研究的热点和难点。 变胞机构是1998年University of London的戴建生和Rees Jones一起提出的一类机构概念。这种机构发展了可展式机构的特点，并具有重组和重构的基本特征。本文在前期变胞机构的研究基础上，针对一类多面体机构进行运动学和自由度分析（主要是Hoberman球体机构和Wohlhart机构），从中提取出一类机构元素，而后按一定排列规律进行重新组合，生成三种新型可展机构。进而研究适合大型可展机构的分析和综合方法。论文的主要研究工作简述如下：1.针对一种变色球机构，研究分析其运动学、拓扑结构和奇异性等问题，揭示其色彩变化运动的机构学原理。进而从该机构中提取出一类三分支、四分支并联运动链，根据常见的组合机构特征，提出相应的单元组合类型、展开收拢方式及评价标准，为后面的机构综合奠定基础。2.利用以上所提取的并联运动链和提出的单元组合类型，设计提出一种新型平板式天线结构和两种新型伸展臂结构，对这三种机构进行自由度、运动学和奇异性分析。这三种机构的共同特点是它们的自由度是1，且都属于向心机构。3. 针对大型可展机构的组成单元多、闭环多、过约束多的特点，基于单元的零空间向量提出一种适合大型可展机构的自由度分析和型综合方法。该方法不需要在计算前分析机构的闭环结构，可大大缩短计算量和分析时间。进而尝试用零空间向量法进行连接构件的机构综合研究。4.基于有限元方法提出组合机构的运动学分析方法，并给出一种新型RR空间有限元连杆单元计算方法，最后将该方法应用于大型可展机构的运动学分析。研究表明，该方法可以很方便地对该类机构进行运动学建模。5.在大型可展机构中，机构单元拓扑布局对机构刚度性能影响很大。借助于拓扑优化中的SIMP法，研究大型可展机构中的单元规划布局问题。在结构柔度最小化的基础上，提出将结构效率作为目标函数。进而分别对剪式圆柱形折叠结构和六棱柱可展天线进行柔度最小化、效率最大化和一阶频率最大化三种拓扑优化计算，得到了三种目标函数下的最佳单元拓扑布局。 本文在空间可展机构的分析、综合及拓扑优化等方面所取得的研究成果有助于设计资源节约型、高性能的新型可展机构，并为可展机构的分析与综合奠定理论基础，这对丰富机构学理论以及推进航天器结构机构技术的发展具有重要的作用。