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Design and Validation of a Carbon-Fiber Collapsible Hinge for Space Applications: A Deployable Boom

铰链 繁荣 振动 结构工程 正交异性材料 衬套 纤维 非线性系统 材料科学 工程类 机械工程 声学 复合材料 有限元法 物理 环境工程 量子力学
作者
Davide Piovesan,Mirco Zaccariotto,C. Bettanini,Marco Pertile,S. Debei
出处
期刊:Journal of Mechanisms and Robotics [ASM International]
卷期号:8 (3) 被引量:7
标识
DOI:10.1115/1.4032271
摘要

This work presents an analysis and validation of a foldable boom actuated by tape-spring foldable elastic hinges for space applications. The analytical equations of tape-springs are described, extending the classical equations for isotropic materials to orthotropic carbon-fiber composite materials. The analytical equations which describe the buckling of the hinge have been implemented in a multibody simulation software where the hinge was modeled as a nonlinear elastic bushing and the boom as a rigid body. In the experimental phase, the boom was fabricated using a thin layer carbon-fiber composite tube, and the residual vibrations after deployment were experimentally tested with a triaxial accelerometer. A direct comparison of the simulation with the physical prototype pointed out the dangerous effect of higher order vibrations which are difficult to capture in simulation. We observed that while the vibrational spectra of simulations and experiments were compatible at low frequencies during deployment, a marked difference was observed at frequencies beyond 30 Hz. While difficult to model, higher order frequencies should be carefully accounted for in the design of self-deployable space structures. Indeed, if tape-springs are used as a self-locking mechanism, the higher vibrational modes could have enough energy to unlock the structure during operation.

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