空間超彈可展開機構設計與優化（簡體書）

本書概述了空間超彈可展開機構的特點與分類、發展現狀與應用情況，系統介紹了空間超彈可展開機構的設計理論與優化方法。全書共分為11 章，分別介紹了空間超彈可展開機構的國內外研究現狀，薄壁殼體彎曲理論，空間可展開機構性能優化的理論基礎，超彈性鉸鏈力矩特性理論建模，超彈性鉸鏈纏繞過程力學性能分析與優化，超彈三棱柱伸展臂等效建模與實驗，雙層環形天線超彈可展開機構設計，人形桿單側驅動可展開機構設計與優化，開口超彈性伸桿純彎曲力矩建模與優化，封閉截面超彈性伸桿力學特性分析，百米級拋物柱面天線折展機構設計與分析，以期豐富和完善空間超彈可展開機構的理論體系，進一步推動空間超彈可展開機構的應用。
本書面向航天領域的科研工作者，同時亦可供高等院校航空宇航科學與技術、機械工程等相關專業的師生參考。

楊慧，女，博士研究生，安徽大學電氣工程與自動化學院副教授。2015年楊慧於哈爾濱工業大學航空宇航製造工程專業獲工學博士學位，2011年於哈爾濱工業大學機器人技術與系統國家重點實驗室獲碩士學位。2015~2021年任職於安徽大學，2022年1月起任教於燕山大學機械工程學院機器人重點實驗室，研究方向：宇航空間可折展機構、機器人、變形翼骨架機構等。主講《機械原理》、《機械設計》、《工程制圖》和《機器人技術》等課程，主持“2020年省級線下課程-機械原理”1項。

宇航領域的研究與發展對太空探測、軍事防御、國家通信、環境監測等至關重要。宇航技術的科研與應用也越來越受到重視。本書是宇航領域基礎研究的重要分支，主要是針對空間超彈可折展機構的設計與優化展開的，主要介紹了空間超彈可展開機構的功能、需求、特點與應用，以及超彈可展開機構中超彈性鉸鏈和超彈性伸桿理論分析、仿真與優化。本書有以下兩大特色：
（1）內容系統，邏輯清晰。
本書從建模理論、試驗設計、實驗分析等角度全面系統地介紹了空間超彈可折展機構的設計與優化理論與方法、章節編排上也是按照由易到難逐層推進的原則安排的。內容系統，邏輯清晰。
（2）前沿理論，意義重大。本書研究的內容是宇航領域的基礎理論，對行業的發展有重要影響。通過本書內容，以期豐富和完善空間超彈可展開機構的結構類型，為進一步推動空間超彈可展開機構在薄膜天線、太陽帆和阻力帆中的應用。

隨著宇航任務的複雜化，空間結構尺寸越來越大，以超彈可展開機構代替傳統鉸接式空間可展開結構，使宇航大型結構在發射時收攏到足夠小的空間以便運輸和發射，入軌後展開並剛化成一個大型結構以執行宇航任務已成為發展趨勢。作為宇航任務中主要的承力部件，可展開機構受到質量、能耗、剛度和精度等指標的制約，實現輕質量、低能耗、高剛度和高精度的超彈可展開機構是宇航空間機構研究領域的一個重要課題。
本書概述了空間超彈可展開機構的功能、需求、特點與應用，介紹了超彈可展開機構中超彈性鉸鏈和超彈性伸桿理論、仿真與優化。全書共11 章，第1 章概述了空間超彈可展開機構的分類、特點、國內外研究現狀與應用情況；第2 章介紹了Calladine 殼體理論、基爾霍夫假設、廣義胡克定律和控制方程；第3 章介紹了空間超彈可展開機構常用的代理模型方法、實驗設計方法；第4 章介紹了單帶簧超彈性鉸鏈應變能建模與實驗、多帶簧超彈性鉸鏈折疊峰值力矩建模與實驗；第5 章介紹了整體式雙縫超彈性鉸鏈、對向雙層超彈性鉸鏈的力學性能與響應面法建立代理模型、多目標優化設計；第6 章介紹了超彈三棱柱伸展臂等效建模方法、靜剛度分析，以及展開態剛度實驗與模態仿真、實驗；第7 章介紹了雙層環狀超彈可展開機構的構型優選、內外層展開單元設計，並對內外層可展開單元、雙層可展開天線單元分別進行了實驗；第8 章介紹了人形桿壓扁過程應力分析、纏繞過程性能優化、單側驅動機構研制與實驗；第9 章介紹了開口超彈性伸桿力矩建模與分析，包含M 形桿、N 形桿和C 形桿，對M 形桿純彎曲峰值力矩建模與實驗，對N 形桿壓扁過程應力與展開態剛度進行了優化，對C 形桿纏繞和展開過程的性能進行了優化；第10 章介紹了採用徑向基函數法建立單元胞豆莢蜂窩桿壓扁過程性能參數模型，以及採用反向傳遞神經網絡法建立四元胞豆莢蜂窩桿纏繞過程性能指標的代理模型，並進行了優化；第11 章提出了兩種百米級拋物柱面天線可展開機構，並對多超彈性鉸鏈折展機構進行了靜力學和運動學分析。
本書是筆者近十年來研究成果的匯總，所提出的理論與方法具有重要的學術價值，所介紹的成果具有創新性、突破性，以期豐富和完善空間超彈可展開機構的結構類型，進一步推動空間超彈可展開機構在薄膜天線、太陽帆和阻力帆中的應用。
本書作者均為從事空間可展開機構領域研究的科研人員，第1～5 章、第8～10 章由楊慧撰寫，第6 章和第11 章由王巖撰寫，第7 章由史創撰寫，楊慧對全書進行了統稿。
本書相關的研究工作得到了國家自然科學基金重點項目“空間大型薄膜無鉸鏈輕質可展機構設計理論與方法（51835002）”、國家自然科學基金面上項目“ 大口徑多超彈性鉸鏈拋物柱面天線折展機構及動力學行為研究（51975001）”、國家自然科學基金“空間大型可展開機構分布式拖拽展開驅動與設計方法（52005123）”和國家自然科學基金青年基金“薄膜天線人形桿折展機構及其非線性力學特性研究（51605001）”以及航天工程部門項目的資助，在此向項目資助單位表示感謝。
哈爾濱工業大學宇航機構與控制中心劉榮強教授在本書的撰寫過程中給出了指導性意見和建議，郭宏偉教授對全書進行了審讀，在此表示感謝。中國空間技術研究院錢學森實驗室李萌為本書中多項式響應面法建立代理模型進行優化提供了思想，太原理工大學張靜為本書第3 章超彈性鉸鏈力矩建模提供了建議，中國航天科技集團有限公司502 所高明星為第6 章超彈三棱柱伸展臂等效建模與實驗提供了技術支持，北京理工大學單明賀為第6 章中超彈三棱柱伸展臂靜剛度分析提供了理論支持。課題組劉戀、陸鳳帥、王金瑞、馮健、範碩碩、劉康、孫福彪、李禹志、馬文靜、張群等為本書提供了相關資料，吳棟天、姜松成和汪祥參加了相關文字的核對、圖表繪製等，在此表示感謝！
由於筆者水平有限，書中難免存在不足之處，懇請讀者批評指正。

著者

第1章 緒論 001
1.1 概述 001
1.2 空間超彈可展開機構類型 002
1.2.1 充氣式可展開機構 002
1.2.2 形狀記憶型可展開機構 003
1.2.3 超彈性鉸鏈驅動可展開機構 004
1.2.4 超彈性伸桿驅動可展開機構 006
1.3 空間超彈可展開機構力學特性研究 008
1.4 空間超彈可展開機構主要研究內容 009
1.5 本章小結 011
參考文獻 011

第2章 薄壁殼體彎曲理論 014
2.1 概述 014
2.2 殼體單元的廣義胡克定律 015
2.2.1 剪切變形和基爾霍夫假設 015
2.2.2 平面殼體廣義胡克定律 016
2.2.3 應變能 020
2.3 對稱載荷下的圓柱殼體受力分析 021
2.3.1 基本方程 021
2.3.2 控制方程及其解 023
2.4 本章小結 024
參考文獻 024

第3章 空間可展開機構性能優化的理論基礎 026
3.1 概述 026
3.2 代理模型方法 027
3.2.1 多項式響應面法 027
3.2.2 徑向基函數法 028
3.2.3 Kriging 響應面法 030
3.2.4 反向傳遞神經網絡法 032
3.3 實驗設計方法 033
3.3.1 全因子實驗設計 034
3.3.2 正交實驗設計 034
3.3.3 拉丁超立方實驗設計 035
3.4 本章小結 036
參考文獻 036

第4章 超彈性鉸鏈力矩特性理論建模 038
4.1 概述 038
4.2 單帶簧超彈性鉸鏈峰值力矩建模分析 039
4.2.1 經典非線性彎曲力學特性 039
4.2.2 單帶簧純彎曲應變能數學建模 043
4.3 多帶簧超彈性鉸鏈力矩建模分析 052
4.3.1 多帶簧超彈性鉸鏈穩態力矩模型 052
4.3.2 對向多帶簧超彈性鉸鏈折疊峰值力矩建模 053
4.3.3 背向超彈性鉸鏈折疊峰值力矩建模 057
4.3.4 參數研究 060
4.4 折疊峰值力矩和穩態力矩實驗驗證 063
4.4.1 鉸鏈材料性能測試 063
4.4.2 單帶簧超彈性鉸鏈彎曲實驗 064
4.4.3 多帶簧超彈性鉸鏈彎曲實驗 070
4.5 本章小結 075
參考文獻 075

第5章 超彈性鉸鏈纏展過程力學性能分析與優化 077
5.1 概述 077
5.2 整體式雙縫超彈性鉸鏈力學性能優化 078
5.2.1 有限元模型及其實驗驗證 078
5.2.2 多項式代理模型 080
5.2.3 準靜態多目標優化 084
5.2.4 幾何參數研究 087
5.3 對向雙層超彈性鉸鏈力學性能優化 091
5.3.1 有限元模型及其實驗驗證 091
5.3.2 準靜態折展代理模型 094
5.3.3 準靜態折展優化 096
5.4 對向超彈性鉸鏈展開過程分析與優化 098
5.4.1 展開動力學實驗 098
5.4.2 對向雙層超彈性鉸鏈仿真模型修正 103
5.4.3 多項式代理模型 105
5.4.4 展開過衝角度和鎖定時間優化 107
5.5 本章小結 109
參考文獻 110

第6章 超彈三棱柱伸展臂等效建模與實驗 111
6.1 概述 111
6.2 超彈三棱柱伸展臂等效梁建模 112
6.2.1 超彈三棱柱伸展臂設計與等效流程 112
6.2.2 超彈三棱柱伸展臂單元應變能與動能計算 114
6.2.3 連續梁理論的應用 122
6.2.4 超彈三棱柱伸展臂連續梁等效模型建立 123
6.2.5 超彈三棱柱伸展臂模態理論分析 124
6.2.6 展開狀態模態仿真分析 127
6.3 靜力學分析 130
6.3.1 彎曲剛度 130
6.3.2 拉伸剛度 133
6.3.3 壓縮剛度 134
6.4 超彈三棱柱伸展臂實驗研究 135
6.4.1 靜剛度實驗 136
6.4.2 展開重復精度測試 138
6.4.3 基頻測試分析 139
6.5 本章小結 144
參考文獻 145

第7章 雙層環形天線超彈可展開機構設計 146
7.1 概述 146
7.2 雙層環形天線超彈可展開機構的構型優選 146
7.2.1 基本可展開單元構建 146
7.2.2 雙層環形天線超彈可展開機構構建 148
7.2.3 雙層環形天線超彈可展開機構動力學特性公式化建模 153
7.2.4 不同口徑下雙層結構形式的選擇 154
7.2.5 雙層環形天線超彈可展開機構可展開條件分析 157
7.3 內外層環形天線超彈可展開天線機構設計 158
7.3.1 內外層展開單元的展開驅動設計 158
7.3.2 內外層展開機構單元設計 160
7.3.3 內外層展開單元幾何參數優化設計 161
7.3.4 雙層環形天線可展開機構模態分析 162
7.3.5 雙層環形天線超彈可展開機構 165
7.4 環形天線可展開機構樣機研制及實驗分析 166
7.4.1 單層環狀天線可展開單元樣機研制及實驗 166
7.4.2 雙層環形天線可展開單元研制及實驗分析 170
7.5 本章小結 171
參考文獻 172

第8章 人形桿單側驅動可展開機構設計與優化 173
8.1 概述 173
8.2 人形桿壓扁過程應力分析 173
8.3 人形桿纏繞過程性能優化 178
8.3.1 纏繞過程有限元模型 178
8.3.2 纏繞過程代理模型 181
8.3.3 纏繞過程優化 184
8.4 人形桿單側驅動機構設計與實驗研究 186
8.4.1 單側驅動機構整體結構設計 186
8.4.2 徑向高剛度預緊機構 187
8.4.3 單側驅動機構展收實驗驗證 188
8.5 本章小結 189
參考文獻 190

第9章 開口超彈性伸桿純彎曲力矩建模與優化 191
9.1 概述 191
9.2 M 形桿純彎曲峰值力矩建模與分析 192
9.2.1 單片彈性伸桿彎矩求解 192
9.2.2 M 形桿中的單片桿力矩模型 197
9.2.3 M 形桿彎曲力矩建模分析 199
9.2.4 實驗驗證 205
9.3 N 形桿壓扁過程分析與展開態剛度優化 209
9.3.1 N 形桿壓扁過程應力分析 209
9.3.2 N 形桿展開態剛度優化 213
9.4 C 形桿纏繞和展開過程性能優化 220
9.4.1 有限元模型 220
9.4.2 代理模型 220
9.4.3 C 形桿纏繞和展開過程優化 223
9.5 本章小結 223
參考文獻 224

第10章 封閉截面超彈性伸桿力學特性分析 225
10.1 概述 225
10.2 單元胞豆莢蜂窩桿壓扁過程性能分析 226
10.2.1 幾何模型 226
10.2.2 單元胞豆莢蜂窩桿壓扁過程有限元模型 227
10.2.3 徑向基函數代理模型 228
10.2.4 單元胞豆莢蜂窩桿壓扁過程性能優化 229
10.3 四元胞豆莢蜂窩桿纏繞過程性能優化 231
10.3.1 幾何模型 231
10.3.2 四元胞豆莢蜂窩桿有限元模型 231
10.3.3 反向傳遞神經網絡法代理模型 233
10.3.4 四元胞豆莢蜂窩桿纏繞過程性能優化 235
10.4 本章小結 236
參考文獻 236

第11章 百米級拋物柱面天線折展機構設計與分析 237
11.1 概述 237
11.2 拋物柱面天線可展開機構設計 238
11.2.1 多超彈性鉸鏈拋物柱面天線可展開機構 238
11.2.2 M 形桿超彈拋物柱面天線可展開機構 245
11.3 天線折展機構靜力學特性分析 248
11.3.1 機構靜力學分析 248
11.3.2 軸向拉伸剛度 249
11.3.3 軸向壓縮剛度 252
11.4 超彈性鉸鏈驅動的機構運動學分析 255
11.4.1 縱向展開運動分析 255
11.4.2 橫向展開運動分析 258
11.4.3 超彈性鉸鏈逐個展開的運動情況分析 260
11.5 本章小結 262
參考文獻 263