空间可展结构体系与分析导论

第1章　绪论 1

1.1　引言 1

1.2　空间可展结构定义、工作原理与分类 2

1.2.1　空间可展结构定义与工作原理 2

1.2.2　空间可展结构分类 3

1.2.3　空间可展机构 4

1.3　国外空间可展结构研究与应用 5

1.3.1　单元构架式可展天线结构 6

1.3.2　肋类支承可展天线结构 6

1.3.3　其他可展结构 7

1.4　国内空间可展结构的研究与应用 8

1.5　本书内容概要 9

参考文献 10

第2章　空间伸展臂 13

2.1　引言 13

2.2　国内外研究现状及发展趋势 13

2.3　薄壁管状伸展臂 15

2.3.1　可收拢管状伸展臂 16

2.3.2　可盘卷管状伸展臂 17

2.4　套筒管状伸展臂 17

2.5　铰接式伸展臂 18

2.5.1　可折叠铰接四边形桁架伸展臂 18

2.5.2　可展铰接四边形桁架伸展臂 19

2.5.3　可折叠铰接三角形桁架伸展臂 21

2.6　盘绕式伸展臂 25

2.6.1　伸展形式 26

2.6.2　伸展臂典型方案 28

2.6.3　螺母展开伸展臂组成 30

2.6.4　关键设计参数 32

2.7　滑动铰接构架伸展臂 34

2.7.1　设计原理 34

2.7.2　主要构件 36

2.7.3　驱动机构 36

2.7.4　展开模拟试验 37

2.8　伸展臂比较分析 38

参考文献 41

第3章　空间可展天线 45

3.1　引言 45

3.2　网状反射面可展天线 45

3.2.1　径向肋支承体系可展天线 46

3.2.2　环支承体系可展天线 48

3.2.3　张力背架体系可展天线 50

3.2.4　整体张拉可展天线 53

3.2.5　构架式可展天线 54

3.3　刚性反射面可展天线 58

3.4　充气可展天线 59

参考文献 61

4.1 引言 65

第4章　充气式空间可展结构 65

4.2　充气薄膜材料 66

4.3　刚化机理 67

4.4　充气系统 67

4.5　应用 68

4.5.1　充气式可展减速系统 68

4.5.2　充气式空间可展天线 69

4.5.3　充气太阳能集热器 70

4.5.4　充气可展支撑管 70

4.5.5　充气太空生活舱 71

参考文献 72

5.2　可展元素与可展桁架单元 74

5.2.1　可展元素分析 74

5.1 引言 74

第5章　可展体系与机构综合分析 74

5.2.2　可展桁架单元 75

5.3　可展体系非矩阵分析方法 78

5.4　体系平衡方程与平衡矩阵 80

5.5　平衡矩阵特性与体系分析 82

5.5.1　平衡矩阵A的秩 82

5.5.2　平衡矩阵子空间及物理意义 82

5.6　体系分类与判定 83

5.7　矩阵秩与子空间计算 85

5.7.1　高斯消元法 85

5.7.2　奇异值分解法 87

5.8　体系约束与内外机构模态 88

5.8.1　约束矩阵 88

5.8.2　Gram-Schmidt正交分离 89

5.9　可展体系和一些基本概念 90

参考文献 91

第6章　正八面体桁架单元系空间伸展臂 94

6.1　引言 94

6.2　八面体桁架系基本单元 94

6.3　展开单元构造与机理 96

6.4　展开单元几何分析 99

6.5　可变形态分析 105

6.6　自应力分析 107

6.7　结构分析 108

6.7.1　2节点9自由度梁单元 109

6.7.2　3节点特殊梁单元 109

参考文献 111

第7章　可展桁架展开过程分析理论与方法 113

7.1　引言 113

7.2　Moore-Penrose广义逆 113

7.2.1　M-P广义逆定义 113

7.2.2　M-P广义逆性质 114

7.2.3　M-P广义逆应用 115

7.2.4　M-P广义逆求解算法 115

7.3.1　杆长刚性约束 118

7.3　完整几何约束 118

7.3.2　节点运动约束 119

7.3.3　边界条件约束 121

7.4　展开过程分析 121

7.5　稳定条件与目标函数 123

7.6　几何约束二阶项影响分析 125

7.7　违约与校正影响分析 126

7.7.1　展开分析的解与位置违约 126

7.7.2　位置违约校正方法 128

7.8.1　几何约束高阶项影响分析算例 129

7.8　数值分析算例 129

7.7.3　数值分析步骤 129

7.8.2　违约校正影响分析算例 130

参考文献 137

第8章　可展桁架展开动力学分析的理论与方法 139

8.1　引言 139

8.2　杆系能量泛函 139

8.3　基本运动力学方程 142

8.4　几何约束方程及其一、二阶导数 143

8.5　约束体系运动力学方程 143

8.6　微分方程（组）数值积分解法 147

8.6.1　定步长龙格-库塔法 147

8.6.3　Adams预报-校正法 148

8.6.2　变步长龙格-库塔法 148

8.7　违约与校正分析 149

8.7.1　奇异值分解缩减的抛物形稳定算法 150

8.7.2　违约主动校正法 152

8.7.3　零空间基旋转校正法 155

8.8　数值分析算例 158

参考文献 163

第9章　可展结构多体系统动力学分析的理论与方法 166

9.1 引言 166

9.2　运动学方程描述 168

9.3　基本运动力学方程 174

9.4　几何约束方程 178

9.5　约束体系动力学方程 180

9.5.1　递推Householder变换 182

9.5.2　Gram-Schmidt正交化处理 183

9.6　数值分析算例 184

参考文献 186

第10章　剪式铰单元可展折叠结构分析理论 188

10.1　引言 188

10.2　剪式铰宏单元线性刚度矩阵 189

10.2.1　单肢宏单元线性刚度矩阵 189

10.2.2　双肢宏单元线性刚度矩阵 192

10.3　剪式铰单肢宏单元非线性刚度矩阵 194

10.3.1　基本原理 195

10.3.2　非线性刚度矩阵显式推导 196

10.3.3　数值分析算例 204

10.4　等待杆系算法 206

10.4.1　等待杆系模型 207

10.4.2　等待杆系单元刚度矩阵 207

10.4.3　数值分析算例 211

10.5　广义增量算法与数值分析 214

10.5.1　广义增量非线性分析方法 215

10.5.2　临界点数值特征分析 217

10.5.3　数值分析算例 218

参考文献 222

11.2　可展折叠机理与基本假设 224

11.2.1　可展折叠机理与构造特点 224

11.1　引言 224

第11章　四面体桁架单元扭簧驱动可展体系分析理论与方法 224

11.2.2　基本假设 225

11.3　基于力法原理的可展折叠宏单元算法 226

11.3.1　力法基本列式 226

11.3.2　双扭簧单弦杆宏单元（一） 227

11.3.3　四扭簧双弦杆宏单元（二） 232

11.3.4　数值分析算法 236

11.4　基于梁柱理论的可展折叠宏单元线性算法 237

11.5　双扭簧单弦杆宏单元一致质量矩阵 241

11.6　双扭簧单弦杆宏单元非线性分析理论 243

11.7　扭簧驱动力分析 247

参考文献 249

12.1　引言 251

第12章　盘绕式空间伸展臂盘绕屈曲分析 251

12.2　“丫”形三叉架无铰伸展臂局部卷压屈曲分析 252

12.2.1　构造特点与基本假设 253

12.2.2　几何方程 253

12.2.3　纵杆受力分析 254

12.2.4　纵杆挠曲函数 255

12.2.5　能量原理 256

12.3 “丫”形三叉架无铰伸展臂整体卷压螺旋屈曲分析 258

12.3.1　几何方程 258

12.3.2　受力分析 259

12.3.3　纵杆挠曲函数 259

12.3.4　能量原理 260

12.4　“丫”形三叉架铰接式伸展臂局部卷压屈曲分析 262

12.5 “丫”形三叉架铰接式伸展臂整体卷压螺旋屈曲分析 263

12.5.1　基本几何方程 263

12.5.2　“丫”形三叉架受力分析 263

12.5.3　纵杆受力分析 264

12.5.4　能量原理 265

12.6　算例分析 265

12.7　“丫”形三叉架伸展臂“无铰”与“铰接式”屈曲理论比较分析 267

12.8　三角框架横杆伸展臂屈曲分析 269

参考文献 272

附录A　作者完成的相关课题 273

附录B　作者完成的主要相关论文 274