卫星太阳电池阵SMA弹簧铰链的研制及优化设计

© 2012由Elsevier B.V.出版。信息工程研究院负责评选和同行评议可在www.sciencedirect.com上在线获取IERI Procedia 1（2012）225 - 2312012第二届机械、工业与制造工程国际会议基于独立性公理的卫星太阳电池阵带SMA弹簧铰链的研制Ju Won Jeonga，Young Ik Yooa，Jung Ju Leea， *，Jae Hyuk Limb，KyungWon Kimba机械工程系，韩国科学技术高级研究院，305-701，Guseong-dong，Yuseong-gu，大韩民国大田b韩国航空航天研究所卫星技术开发办公室，305-333，115 Gwahangno 45 Eoeun-dong Yuseon-gu，大韩摘要提出了一种用于航天器天线、太阳帆板等子系统展开的新型铰链机构。运用公理设计理论，提出了一种既具有高展开刚度和低展开冲击，又不需要润滑和精确制造的铰链机构的概念设计。也就是说，展开扭矩的优化和展开刚度的最大化可以是可能的，因为该建议的铰链机构是解耦设计。最后，对所提出的铰链机构进行了加工和测试，以评估其可行性.利用有限元法对展开力矩进行了准静态分析，以获得最佳的展开力矩。此外，通过4点弯曲试验测量弯曲刚度。© 2012由Elsevier B. V.发布。CC BY-NC-ND许可下开放访问。信息工程研究院负责评选和同行评议关键词：卫星太阳电池阵;带弹簧铰链;形状记忆合金闩锁;形状记忆效应;公理设计;独立公理* 通讯作者。联系电话：+82-42-350-3033;传真：+82-42-350-3210。电子邮件address:leejungju@kaist.ac.kr。2212-6678© 2012由Elsevier B. V.出版信息工程研究院负责评选和同行评议在CC BY-NC-ND许可下开放访问。d o i ：10.1016/j.ieri.2012.06.035226Ju Won Jeong等./IERI Procedia 1（2012）2251. 介绍航天器一般是一种可展开结构，它可以改变其形状为紧凑的形式，用于运输，但可以部署为他们的预期任务。航天器子系统展开铰链机构具有三个主要功能：子系统展开、子系统展开后锁定子系统并使其具有最终使用所需的刚度以及提供延迟机构以避免卫星主体及其子系统之间的锁定冲击和碰撞。铰链机构主要分为刚性铰链和柔性铰链两类（图1）。图1a示出了典型的刚性型铰链。这些类型的铰链由一个销接头、两个支架、用于展开扭矩的弹簧、闩锁和阻尼器组成，可以添加这些元件以降低锁定冲击。最常见的柔性铰链是带弹簧铰链，也称为透镜铰链或木工带铰链。带弹簧铰链的典型例子如图1b所示。这些种类的铰链包括两个支架，带状弹簧是横向弯曲的条带。尽管带状弹簧铰链在它们被收起用于运输时（屈曲后状态）具有低的弯曲刚度;然而，由于带状弹簧在展开后（屈曲前状态）变得笔直时的横向曲率，它们变得具有相对高得多的弯曲刚度：换句话说，闩锁和用于展开扭矩的致动器被集成到一个元件（带状弹簧）中。因此，带状弹簧铰链的机构非常简单，并且它们的质量非常低。表1和表2表明刚性型铰链具有良好的展开行为可控性和高刚度，但是它们的成本高。在带弹簧铰链的情况下，简单的机构和低成本是优点，但它们的性能通常不如刚性类型的铰链，因为这种类型的铰链仅取决于弹性[2，3]。在这项初步研究中，通过使用公理设计，一个新的铰链的概念，建议解决现有铰链的缺点，同时保持两个典型机构的优点。并通过有限元分析和四点弯曲试验对该机理进行了验证。(a)（b）第（1）款Fig. 1. (a)Starsys Research Corporation的刚性铰链[1];（b）CNES和METRAVIB RDS的柔性铰链[2]表1.刚性铰链优点高展开刚度和收起位置展开的可控性高（容易避免锁定冲击和碰撞）润滑和精确的制造对于防止由以下因素引起的部署失效模式至关重要：缺点与摩擦和温度高度相关的接头粘结。由于需要特殊的润滑和精确的制造，成本非常高Ju Won Jeong等./IERI Procedia 1（2012）225227表2.刚性铰链的优点和缺点优点无需润滑和精确制造：机构简单，重量轻，成本低。展开刚度相对较低，收起位置展开可控性低（可能存在相对较高的锁定冲击或碰撞）2. 基于独立性公理的我们的目的是提出一种高刚度和低冲击展开铰链机构，它不需要润滑。在刚性铰链的情况下，润滑必须是必不可少的，以保证部署的可靠性，因为在销接头中总是存在摩擦。因此，新建议的铰链机构应该是带弹簧型铰链，以排除与摩擦有关的失效模式。通过逻辑和系统的概念设计过程，使用公理设计建议添加部件，以消除其缺点[4，5]。对由Z字形映射过程得到的概念设计是否满足独立性公理进行了评价。最后，在满足独立性公理的设计矩阵中选择设计矩阵最简单的设计。图2和图3所示的建议设计包括带状弹簧铰链、用于延迟机构的带状弹簧和SMA闩锁机构。展开扭矩由带状弹簧铰链提供，并且铰链从收起状态（图2a）展开到展开状态（图2b）。当太阳能电池阵列展开时，仅连接到一个支架的其他带状弹簧吸收铰链的动能，以防止卫星及其子系统之间的碰撞（图2c）。由于带状弹簧铰链的横向弯曲，铰链首先被闩锁（图3a）。其次，它被镍钛管闩锁（图3b）。NiTi管闩锁由两个闩锁支架、两个闩锁、两个锥形孔和两个NiTi管（Af：70）组成，其由柔性加热器激活。NiTi管在组装之前被压缩，以便闩锁机构不干扰部署，然后柔性加热器可以通过粘合剂附接到NiTi管。当两个闩锁通过闩锁支撑件和膨胀的NiTi管装配到两个锥形孔中时，铰链被第二次闩锁，当NiTi管的温度通过加热器达到奥氏体结束温度（Af）时，膨胀的NiTi管膨胀（图1）。3 b）。(a)(b)（c）第（1）款图二.建议铰链的型号。(a)收藏配置;（b）展开配置;（c）用于防止碰撞的延迟机构的带状弹簧。228Ju Won Jeong等./IERI Procedia 1（2012）225(a)（b）第（1）款图3.第三章。第二个闩锁机构采用SMA管。（a）第二锁存器未被激活;（b）第二锁存器被激活能够优化展开行为，以适当满足所需的扭矩裕度，但由于第二个NiTi管闩锁，不会过度。此外，由于第二NiTi管闩锁与展开扭矩无关，因此展开刚度也可以最大化，而不会增加展开冲击。表3显示了FR和对应于每个FR的DP。和等式图1示出了其设计矩阵，该设计矩阵示出了所建议的铰链设计是解耦设计。因此，该设计满足独立性公理。因此，该铰链设计的FR可以被最大化和优化，而不会在FR之间进行权衡。表3.铰链的FR和对应于每个FR的FR1：为子系统展开提供扭矩DP 1：带状弹簧铰链FR2：控制展开行为以避免冲击DP2：用于延迟机构的FR3：部署后锁定子系统DP3：SMA锁定机制FR1X00DP1FR2 XXX0DP2（一）FR3X0XDP33. 仿真和实验为了评估所建议的概念设计的可行性，制作了原型（图4）。为了确定在所需条件下优化展开的带状弹簧布置，通过使用FEA [6，7]执行准静态分析来分析图5中建议的三种布置的每个展开扭矩，如图6所示。两个铰链用于太阳电池阵的展开，仅通过一个线束就可获得0.1N·m的阻力矩。考虑到所需的扭矩裕度条件（250%），其定义为方程：2、展开扭矩必须高于0.175 N·m。TM有效扭矩1001抵抗扭矩100%（二）当铰链收起时，角度为90度，展开配置的角度为0度。图6a中的选项B在建议选项（图6b）中的区间[0 °，90 °]内具有最小的启动扭矩。此外，选项A不满足所需转矩裕度值，并且选项C的转矩裕度过大，尽管该值满足所需值。因此，选项B是最好的。Ju Won Jeong等./IERI Procedia 1（2012）225229见图4。用于验证(a)(b)（c）第（1）款图五.展开扭矩(a)（b）第（1）款见图6。(a)每种带状弹簧排列的扭矩-角度关系（-5 ~5）;（b）每种带状弹簧排列的扭矩-角度关系（5 ~ 90）对于NiTi管闩锁，进行4点弯曲测试，以评估其在通过两个NiTi管扩张进行第二次闩锁后的性能。图7a示出了在该测试中使用的4点弯曲夹具。并且测试结果示于图7b中，其表示在第二闩锁被激活之后，弯曲刚度变得比仅通过带状弹簧铰链的弯曲刚度大9.3倍。并将有限元分析结果与试验结果进行了对比，分析了仅采用带簧铰链进行闭锁的情况。此外，在带状弹簧仅用于获得与第二闩锁被激活的情况相同的刚度的情况下，需要9对相同的带状弹簧铰链：不可避免的是非常大的扭矩裕度，其大9倍（图8）。这可能会引起非常严重的展开冲击，从而损坏卫星的主体及其子系统。230Ju Won Jeong等./IERI Procedia 1（2012）225(a)（b）第（1）款见图7。弯曲刚度比较。(a)用于评价弯曲刚度的四点弯曲夹具;（b）测试结果。(a)（b）第（1）款见图8。扭矩裕度比较。(a)不带SMA锁存器;（b）带SMA锁存器4. 结论本研究以独立性公理为基础，提出航天器铰链的新概念设计。结果，由于去除了带弹簧型铰链的FR之间的折衷，因此获得了实现高展开刚度和低展开冲击的概念设计。此外，由于该铰链基于带弹簧铰链，因此不需要精确的制造和坚固的润滑来防止部署堵塞。通过试验和有限元仿真，验证了该原型铰链由于各自由度之间的解耦性好，其性能易于提高。此外，该原型只是所建议的概念设计的一个示例，并且该建议的铰链可以改进。但是，双向记忆效应发生在NiTi管中，这是不可取的：由于这种效应，展开刚度会降低。这个问题以后还要研究。此外，部署行为和部署冲击必须进行评估后，使用一个虚拟的太阳能电池阵列与重力补偿，以验证所建议的铰链的性能。确认这项工作得到了韩国航空航天研究所的资助引用[1] D. Givois，J. Sicre和T. Mazoyer：一种用于阑尾展开的低成本铰链：设计、测试和Ju Won Jeong等./IERI Procedia 1（2012）225231应用，第九届欧洲空间机构和摩擦学研讨会，列日（2001年）[2] http://www.grc.nasa.gov/WWW/spacemech/vol1.html上的信息[3] M.L. 鲍登，展开装置，载于：航天器机构：成功设计的要素，P.L.Conley，Wiley，1998，pp. 495-542[4] G. J. Park，《设计实践的分析方法》，第一版，施普林格，伦敦，2007年[5] N.P. Suh，设计原理，第一版，牛津大学出版社，美国，1990年[6] Abaqus 6.8版文档，Dassault Systems Simulia Corp.，2008[7] 张文，等，张文，等，等. 49（2007），853-860 Strunk Jr W，White EB.风格的元素。第3版，New York：Macmillan; 1979年。