包带连接建模与非线性动力学特性分析

在航天工程中,包带连接机构是应用最为广泛的星箭连接分离机构,其主要由两个半圆形钢带(包带)和若干V形截面的卡块组成。为研究包带连接的力学特性,首先分析了包带连接中各个部件之间的接触力以及接触力之间的关系。然后通过将接触力等效为有限单元节点载荷的方法,把包带连接加入到整体结构的有限元模型当中。对于包含包带连接的结构,其动力学方程为非线性微分方程,方程的求解采用了Newm ark直接积分法。最后,采用所提出的建模方法对一个标准接口的包带连接进行了计算,分析了包带连接的非线性动力学特性以及预紧力的影响。

包带连接特性及星-箭-包带连接结构耦合动力学的研究进展

包带连接结构是目前航天领域应用最广泛的星箭连接和分离机构.包带连接结构通过组件间的接触、摩擦传递载荷,在预紧力作用下实现星箭连接.各组件间的接触、摩擦力学行为随外载荷的变化而改变,从而导致包带连接刚度具有明显的非线性特征,影响火箭的运载能力以及星箭系统的动力学特性.本文对包带连接结构的局部连接特性及其对星箭整体系统动力学特性的影响进行了综述.首先介绍了国内外针对包带连接特性开展的研究工作,重点评述了有关包带连接结构的承载能力和连接刚度等问题的研究进展;随后,围绕包带连接结构在星箭系统模型中的表征及其对星箭系统动特性的影响等问题,对星–箭–包带耦合动力学进行了论述;最后,指出了这一领域需要进一步研究的若干问题.

包带连接力学分析与建模

研究了卫星包带连接的有限元力学建模。基于对包带预紧力、卡块与连接环间的接触力,以及两连接环间的接触力的分析,将接触力等效为有限单元节点力。对所建模型中的非线性项,用Newton-Raphson法求得给定包带预紧力的平衡位置,再以该平衡位置处的切线刚度对模型作线性化,分析了模态和固有频率等动力学特性。某卫星的算例验证了模型的正确性。

考虑分离特性的包带式星箭连接结构优化设计

针对高鲁棒性包带式星箭连接结构(CBJ)优化设计问题,提出一种兼顾结构的连接承载性能与分离冲击响应的包带式星箭连接结构轻量化设计方法。优化设计基于包带结构三维非线性有限元参数化模型,以连接框与夹块径向截面尺寸参数为设计变量,以结构静力学承载性能与动力学分离冲击为约束,以轻量化为目标。针对优化中设计空间高维度、非规则导致的算法收敛困难问题,提出了基于近似模型与序列采样策略的约束序列近似优化(CSAO)算法。结果表明:算法可实现在复杂设计域内迅速收敛至最优解,相较于初始设计,优化结构的质量降低了5.62%,同时,结构连接刚度提升了19.27%,卫星下裙解锁冲击降低了18.52%,在满足性能约束的条件下减重效果明显,验证了提出方法的有效性。设计的优化构型兼顾了连接与分离特性,具有一定的工程应用价值。

基于参数化建模的包带式星箭连接结构优化设计

采用MSC.Patran参数化建模和遗传算法进行包带式星箭连接结构优化设计。首先给出了包带连接结构二维轴对称模型优化设计过程中涉及的V形卡块刚度等效、包带预紧力模拟和载荷施加方法,以及强度和刚度约束条件、优化目标等内容;然后以某直径为3m的包带连接结构为例进行了优化设计,并分析了对接框内延伸段长度和端头高度对应力及变形的影响;最后建立三维有限元模型进行静力分析。结果表明(1)该方法适用于包带连接结构的优化设计;(2)增加对接框内延伸段长度和端头高度能够提高整体连接刚度;(3)三维有限元模型与轴对称模型计算结果一致,验证了轴对称模型分析方法的正确性,以及V形卡块等效和预紧力模拟方法的有效性。

星箭包带式连接结构动力学研究进展

介绍包带连接结构动力学及相关问题的国内外发展概况,对包带连接结构的承载能力、分离冲击、包带动态包络、环境适应性、分离速度与分离姿态等典型工程问题进行了分析评述,指出了包带连接结构动力学的研究方向和研究内容。

基于LS-DYNA的包带式星箭连接装置分离过程和冲击响应分析

采用显式非线性动力学分析方法来研究包带式星箭连接装置的分离过程和冲击响应,给出了有限元建模和预紧力施加方法,采用LS-DYNA软件计算得到某包带式星箭连接装置的包带动态包络和冲击响应;分析了对接框刚度、抗剪凸台、分离弹簧和拉伸弹簧刚度系数等参数对分离冲击的影响,并采用单自由度"弹簧-质量"系统模拟缓释过程,讨论了缓释过程对分离冲击的影响。结果表明:①采用显式非线性动力学分析方法能够同时解决星箭分离过程仿真和冲击响应分析问题;②增加对接框刚度,合理设计抗剪凸台高度,适当减小分离弹簧推力和拉伸弹簧拉力均可降低分离冲击响应;③延长解锁装置释放时间能够同时降低最大冲击响应峰值及其对应频率。

新型卫星包带预紧力加载装置系统设计

为了保证星箭解锁装置预紧力实现安全,均匀,稳定加载的要求,设计了一种预紧力加载装置系统,该系统的加载单元采用“平行导轨型加载单元”对星箭解锁装置施加预紧力的方法,此方法由“推压”的受力方式代替了“推拉”的受力方式,有效地实现了操作的可靠性和安全性,该装置的液压系统可实现单缸、双缸和三缸的自由加载,同时具有系统停机时的正常卸荷功能和掉电时的保压功能,该装置具有足够的强度和刚度,最小安全系数为3.13,满载状态加载单元变形0.045 mm。

包带式星箭连接结构的动力学模拟及故障分析

为预示包带式星箭连接结构的动力学特性以及产生故障后对星箭分离的影响,提出精细描述包带结构的板单元模型。采用ADAMS软件平台对星箭解锁分离动力学进行数值模拟,考察了爆炸螺栓冲击、限位弹簧刚度、包带预紧力以及摩擦对包带包络的影响。采用包带板单元模型分析了单个爆炸螺栓解锁失效、卡块与包带脱离、分离弹簧失效3种典型故障模式对星箭解锁分离过程的影响。分析结果表明:降低爆炸螺栓冲击、增加限位弹簧刚度是控制包带包络的有效方法。尽管在卡块与包带脱离失效及分离弹簧失效的情况下,卫星与火箭能够分离,但这些失效可能引起卡块与卫星碰撞、分离姿态偏转等严重后果。

星箭分离面径向冲击预示的简化圆环分析方法

星箭分离冲击是航天器所经历的较为严酷的力学环境之一。为了预示星箭分离面的径向冲击响应,基于星箭对接框承受轴对称径向载荷的假设,提出一种简化的轴对称圆环振动模型,采用有限元法数值验证简化模型的有效性。采用星箭对接框的简化圆环方法,分析包带预紧力、对接框主要结构参数与冲击响应的关系,以及包带和卡块质量对冲击的影响。分析结果表明,分离面径向冲击随着包带预紧力增加而增大;考虑包带和卡块质量的影响,延迟对接框应变能释放时间。在保证星箭可靠连接和分离的前提下,减小包带预紧力、延长对接框应变能释放时间,是降低分离面径向冲击的有效手段。