预紧力变化对包带装置轴向连接刚度影响机理分析

为精准计算包带装置的非线性承载能力,通过包带装置各组件间力学行为的分析,提出了一种考虑预紧力变化的装置轴向连接刚度计算方法;建立了考虑结构非线性的精细化有限元模型,并通过拉伸试验验证了有限元模型的准确性。结合有限元模型修正了装置连接刚度的理论计算,基于所建的有限元与理论模型,揭示了包带预紧力分布、变化及初始预紧载荷对装置强度及连接刚度的影响机理。结果表明:刚度计算理论模型可以准确计算装置的轴向连接刚度并预测连接失效载荷,具有重要的工程应用论文拓展价值。

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。

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.

包带式星箭连接结构轴向刚度研究

包带锁紧装置广泛用于卫星和运载火箭之间的连接。在发射过程中,它起到连接星箭和传递载荷的作用,合理地确定包带连接结构的强度和刚度对卫星的成功发射至关重要。给出包带连接结构轴向刚度与包带结构参数、预紧力以及轴向拉力之间的关系,提高包带连接结构刚度预测的精确性。首先对包带连接结构各组件的受力情况进行分析;根据各组件受力特点,应用弹性力学理论推导了一定轴向拉力范围内包带连接结构的变形及刚度的解析表达式;最后,针对某型包带锁紧装置与有限元仿真结果进行对比,验证了分析方法和解析表达式的正确性。

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。

刚性包带式星箭连接装置解锁分离过程动力学分析

刚性包带式星箭连接装置能够为重型运载火箭提供更高的星箭连接承载能力,但对其分离释放过程的动力学研究尚未深入。该研究建立刚性包带式星箭连接装置非线性动力学分析模型,采用显式动力学仿真法分析了包带接头分离速度、分离冲击响应和捕获运动规律,研究解锁时间和预紧力等因素对分离与捕获过程的影响规律。结果表明:延长解锁时间和减小预紧力会导致包带接头分离速度降低,卫星冲击载荷减小,与捕获器接触时长增加,与脱离端框时间延后,甚至可以改变包带分离运动规律,引起卫星倾斜分离,在工程应用中应综合考虑。

刚性包带式星箭连接装置非线性静力学分析与结构优化

刚性包带式连接装置是适应运载火箭重型化发展趋势而提出的新型星箭连接方式。建立预紧状态下的刚性包带及端框结构非线性静力学模型,分析其在轴向承载时的结构强度和连接刚度特性,并结合轴对称等效和参数化建模技术,通过优化截面形状参数提升对整体连接性能。结果表明:包带与端框之间“线-面”接触位置的结构应力较为集中;增加包带结构轴向尺寸、减小包带V形槽角度和加深包带与端框咬合配合深度能够有效提升刚性包带连接刚度;通过截面形状优化,可在结构强度和质量限制条件下,使刚性包带连接性能提升70%以上.

温度变化对包带装置预紧力影响分析与验证

为研究温度变化对包带装置(CBD)预紧力的影响,提出包带装置温度影响系数计算方法:解析法和基于ABAQUS软件的仿真计算方法,并通过包带装置温度试验对提出的方法进行校验。结果表明:由解析法得到的结果与试验值偏差在5%以内;由仿真计算得到的结果与试验值偏差在15%左右,针对这一偏差,通过将仿真计算结果乘以1.15倍修正系数来对仿真计算方法进行修正。将研究结果应用于包带装置预紧力计算,在传统的包带装置预紧力计算公式中增加温度补偿项,提出了含温度影响的包带装置预紧力计算公式,可保证在最低温度环境下,包带装置预紧力仍然可以满足星箭力学承载要求、星箭连接要求;本文也提出在最高温度环境下,包带装置预紧力达到最大值,这为包带装置强度校核提供计算依据。