一种三角形桁架挠性附件模拟器及其设计方法与流程

本发明涉及航天器模拟实验技术领域，尤其涉及一种三角形桁架挠性附件模拟器及其设计方法。

背景技术：

随着信息技术和工业技术的全面提高，航天技术有了突飞猛进的发展，航天领域已经是世界各国极其重视的竞争领域。航天器结构正朝着大型化、挠性化的方向发展，如今的航天器结构复杂，随着功能的增多，挠性附件的数量种类也越来越多；挠性附件结构复杂的同时，为考虑成本，要求质量很轻，导致挠性更加明显，对航天器的姿态控制系统的性能要求也不断提高。

对结构的挠性控制不足会导致航天器挠性部件大幅振动，其与航天器的耦合后对航天器的姿态稳定性及精确度均会产生影响，迄今为至已经发生过多次此类的航天事故。为避免事故的产生，地面仿真试验时要充分考虑挠性部件对航天器整体的影响，常用手段是通过安装在气浮台上的挠性模拟器实现对挠性部件的模拟。

目前，地面物理仿真试验时，挠性附件大多采用薄板和中心刚体安装在气浮台上实现，这种模拟器结构简单，成本低，但是尺寸小，固有频率高，难以模拟挠度越来越大的挠性附件。另一类模拟器是由多块板、挠性接头以及气足组成，其一阶固有频率低，但由于采用了气足造成成本较高。

技术实现要素：

本发明提供了一种三角形桁架挠性附件模拟器及其设计方法，所述模拟器用于在航天器的地面仿真试验时安装在气浮台上，能够真实模拟航天器转动惯量、频率跨度较大的挠性附件，具有较低的一阶弯曲频率，且一阶频率、转动惯量在较大范围内可调。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种三角形桁架挠性附件模拟器，包括三角形桁架、安装座、可调配重块及恒力弹簧吊架；所述安装座上设有水平的底板和竖直的侧板，其中底板用于与外部气浮台固定连接，侧板用于连接三角形桁架；三角形桁架作为挠性附件，其一端与安装座固定连接形成悬臂结构，另一端设可调配重块；可调配重块由恒力弹簧吊架悬吊支撑。

所述可调配重块由多个不同厚度的配重片组成。

所述可调配重块与三角形桁架之间通过定位板定位固定。

所述恒力弹簧吊架中设碟簧作为弹性元件，悬吊点位于可调配重块的顶部中心。

所述三角形桁架采用弹簧钢板通过螺栓连接组成。

所述安装座的底板与侧板之间设有多个加强筋。

所述一种三角形桁架挠性附件模拟器的设计方法，包括如下步骤：

1)以一阶频率和转动惯量作为设计参数，采用动柔度法对模拟器的结构进行理论计算；为方便计算，将模态截尾计算低自由度微分方程；

将模拟器简化为具有弹性支撑边界的约束结构，当它以固有频率ω做简谐振动时，在其支撑边界上将产生内力Rb(ω)；对应的自由结构相当于在对应约束边界的位置受到激振力Rb(ω)作用而进行受迫振动；其受迫运动方程为：

对应的特征方程为：

只考虑支撑系统刚度特性k，忽略模拟器的质量m，支撑系统在约束结构以ω做简谐振动时的平衡方程可以写为：

经推导得出特征方程为：

[κ(ω)-ω²μ(ω)]qt＝0

求解上式可得约束结构的固有频率ω和qi空间内模态矩阵；

2)求出固定约束结构的固有频率后，采用有限元法，应用ANSYS Workbench的APDL模块和Design Exploration模块，对模拟器的各部尺寸进行设计及调整，并验证整体结构的强度、刚度和稳定性；

首先进行静力分析，验证强度、刚度在安全范围内，然后进行屈曲分析，验证稳定性；由于模拟器采用恒力弹簧吊架对可调配重块进行悬吊支撑，前两阶屈曲模态的载荷因子较高，使模拟器的稳定性大大提高；

3)模拟器的强度、刚度及稳定性都得到验证后，对模拟器进行有预应力的模态分析；计算模拟器的固有频率，再根据设定的一阶弯曲频率对影响频率的主要尺寸进行优化，得到模拟器各部的具体尺寸；

4)调试及使用过程中，当频率需要大范围调整时，都需要通过有限元分析、尺寸优化后，计算出可调配重块的厚度，再通过调整配重片组成可调配重块。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)挠性附件采用三角形桁架结构，制作成本低；主体结构采用窄而薄的弹簧钢板通过螺栓连接组成，可以提供所需的挠性，横截面方向的筋板用于提高竖直方向的刚度；

2)安装座设有加强筋结构，用以平衡由于模拟器结构偏心引起的倾覆力矩，减小模拟器末端可调配重块处的变形，增强整体结构的稳定性；

3)可调配重块由恒力弹簧吊架悬吊支撑，恒力弹簧吊架的体积小，弹簧拉力输出稳定，能够减小模拟器自由端的位移应力，抵消竖直方向的变形，从而减小由于悬吊引起的模拟器的振动；

4)可调配重块由多个不同厚度的配重片组成，在调试及使用模拟器时，可通过增减配重片调整模拟器的频率及转动惯量。

附图说明

图1是本发明所述一种三角形桁架挠性附件模拟器的结构示意图。

图2是本发明所述一种三角形桁架挠性附件模拟器的立体结构示意图(恒力弹簧吊架未示出)。

图3是本发明实施例中优化结果设计点与结构一阶固有频率的2D曲线关系图。

图4是本发明实施例中优化结果设计点与结构一阶固有频率的3D曲线关系图。

图5是本发明实施例中三角形桁架挠性附件模拟器的静力分析变形云图。

图6是本发明实施例中三角形桁架挠性附件模拟器的静力分析应力云图。

图7是本发明实施例中三角形桁架挠性附件模拟器的屈曲分析一阶振型图。

图8是本发明实施例中三角形桁架挠性附件模拟器的模态分析一阶振型图。

图中：1.安装座2.三角形桁架3.定位板4.恒力弹簧吊架5.可调配重块

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

如图1、图2所示，本发明所述一种三角形桁架挠性附件模拟器，包括三角形桁架2、安装座1、可调配重块5及恒力弹簧吊架4；所述安装座1上设有水平的底板和竖直的侧板，其中底板用于与外部气浮台固定连接，侧板用于连接三角形桁架2；三角形桁架2作为挠性附件，其一端与安装座1固定连接形成悬臂结构，另一端设可调配重块5；可调配重块5由恒力弹簧吊架4悬吊支撑。

所述可调配重块5由多个不同厚度的配重片组成。

所述可调配重块5与三角形桁架2之间通过定位板3定位固定。

所述恒力弹簧吊架4中设碟簧作为弹性元件，悬吊点位于可调配重块5的顶部中心。

所述三角形桁架2采用弹簧钢板通过螺栓连接组成。

所述安装座1的底板与侧板之间设有多个加强筋。

所述一种三角形桁架挠性附件模拟器的设计方法，包括如下步骤：

1)以一阶频率和转动惯量作为设计参数，采用动柔度法对模拟器的结构进行理论计算；为方便计算，将模态截尾计算低自由度微分方程；

将模拟器简化为具有弹性支撑边界的约束结构，当它以固有频率ω做简谐振动时，在其支撑边界上将产生内力Rb(ω)；对应的自由结构相当于在对应约束边界的位置受到激振力Rb(ω)作用而进行受迫振动；其受迫运动方程为：

对应的特征方程为：

只考虑支撑系统刚度特性k，忽略模拟器的质量m，支撑系统在约束结构以ω做简谐振动时的平衡方程可以写为：

经推导得出特征方程为：

[κ(ω)-ω²μ(ω)]qt＝0

求解上式可得约束结构的固有频率ω和qi空间内模态矩阵；

2)求出固定约束结构的固有频率后，采用有限元法，应用ANSYS Workbench的APDL模块和Design Exploration模块，对模拟器的各部尺寸进行设计及调整，并验证整体结构的强度、刚度和稳定性；

首先进行静力分析，验证强度、刚度在安全范围内，然后进行屈曲分析，验证稳定性；由于模拟器采用恒力弹簧吊架对可调配重块进行悬吊支撑，前两阶屈曲模态的载荷因子较高，使模拟器的稳定性大大提高；

3)模拟器的强度、刚度及稳定性都得到验证后，对模拟器进行有预应力的模态分析；计算模拟器的固有频率，再根据设定的一阶弯曲频率对影响频率的主要尺寸进行优化，得到模拟器各部的具体尺寸；

4)调试及使用过程中，当频率需要大范围调整时，都需要通过有限元分析、尺寸优化后，计算出可调配重块的厚度，再通过调整配重片组成可调配重块。

使用时，将本发明所述一种三角形桁架挠性附件模拟器通过安装座1安装在气浮台上。气浮台模拟航天器主体，本发明所述三角形桁架2作为挠性附件来模拟航天器主体连带的太阳帆板、卫星天线或机械臂，用于验证当航天器运动时，挠性附件的挠性振动干扰以及挠性附件与航天器本体的耦合作用对控制系统性能的影响，为姿态控制系统的设计改进及验证提供支持。

以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

【实施例】

本实施例中，经过理论计算后，初步计算出模拟器各部结构的尺寸范围，通过有限元分析对结构的强度、刚度及稳定性进行验证后，计算结构的一阶频率，然后进行尺寸优化。

例如，可以对频率影响较大的可调配重块5的尺寸进行优化；如图3所示，可调配重块5的长度100-300mm时，模拟器的一阶频率在0.53944Hz-0.303Hz范围内变化；对可调配重块5长度及厚度两个尺寸进行优化后，优化结果设计点与两个设计目标的响应曲面如图4所示，通过优化后，能够得到所需结构的精确尺寸、可调配重块5的尺寸及厚度。

本实施例中，经优化后，模拟器中三角形桁架2的长度为2.01m，一阶频率为0.35Hz-3.3Hz，转动惯量在804kgm²-5.95kgm²范围内可调；使用时，频率需要调整的，可根据上述计算结果确定可调配重块的组合方式。

本实施例中，对一阶频率要求为0.35Hz的模拟器，经优化尺寸后，进行了强度、刚度、稳定性及固有频率的验证计算；如图5、图6所示，为自重载荷静力分析的变形云图和应力云图，模拟器的最大变形为1.8582mm，最大应力为34.165MPa。图7为屈曲分析的一阶屈曲振型图，一阶屈曲因子为17.401。图8为有预应力的模态分析第一阶模态振型图，振型为一阶弯曲，第一阶频率为0.35221Hz。

本实施例中，优化后的可调配重块5总厚度200mm时,一阶频率为0.35022Hz，转动惯量804kgm²。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。