一种弹塑性弯曲变形限力结构的建模方法与流程

本发明涉及深空探测航天器着陆冲击缓冲预示技术领域，特别是一种弹塑性弯曲变形限力结构的建模方法。

背景技术：

深空探测航天器着陆冲击缓冲是指航天器在地外天体表面着陆时，通过缓冲机构设计减缓着陆过程对航天器本体的冲击，保障航天器着陆过程的安全和稳定。腿式着陆缓冲机构是深空探测航天器的一种重要缓冲形式，其包含“悬臂式”和“倒三角架式”两种构型。“倒三角架式”由于收拢紧凑等优点，广泛应用于收拢要求较高的火星探测领域，如美国的海盗号、凤凰号、欧洲正在论证的exomars。我国火星着陆探测器同样采用“倒三角架式”构型，其由两根多功能支柱、一根支撑支柱、足垫和压紧释放装置四部分组成。两根多功能支柱完全相同，具备展开收拢和缓冲吸能功能，支撑杆仅起到维持构型的功能。在部分恶劣工况下，当多功能支柱拉杆不能吸收能量时，载荷可通过足垫直接传入支撑杆，使得经由支撑杆传入结构的载荷过大。为了避免对限力结构产生过高载荷冲击，往往在支撑杆根部安装一弹塑性梁方式的限力结构进行缓冲。

弹塑性限力结构受力作用将产生材料弯曲变形，从而起到限力缓冲作用。限力结构的弯曲变形直接影响着陆冲击过程传入着陆探测器本体的载荷大小，也影响着“倒三角架式”探测器其他两根多功能支柱的缓冲行程分配。这种弹塑性变形限力结构的准确模化是着陆冲击缓冲预示的基础。一般来说，弹塑性材料由于其非线性特征，通常采用ansys、dytran、abaqus等有限元软件，通过非线性动力学瞬态响应法直接求解。然而，深空探测着陆冲击缓冲预示需针对未知地形条件、控制偏差条件等着陆状态进行大规模的分析计算，有限元方法直接求解着陆过程的非线性瞬态响应，需建立整个着陆系统的有限元模型，分析耗时过长，无法满足工程需求。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种弹塑性弯曲变形限力结构的建模方法，解决了有限元方法直接求解弹塑性材料非线性特征耗时过长的问题，能够适用于深空探测航天器着陆冲击缓冲预示，具有很好的使用效果。

本发明的技术解决方案是：一种弹塑性弯曲变形限力结构的建模方法，包括如下步骤：

(1)建立不包括限力结构的着陆探测器多体动力学模型；

(2)使用虚质量体与着陆探测器本体转动副连接，转动副方向与实际着陆探测器中限力结构、支撑杆转动副方向一致，同时虚质量体与支撑杆滑动副连接，滑动副方向沿支撑杆轴向，着陆探测器本体与支撑杆间为沿支撑杆轴向的力fx；所述的fx等于实际着陆探测器中着陆探测器本体与支撑杆间的作用力或反作用力；

(3)测量虚质量体沿滑动副方向的速度方向，进而得到实际着陆探测器中限力结构承受力方向；所述的承受力包括拉力或压力；

(4)测量虚质量体沿滑动副方向的位移，得到实际着陆探测器中当前承受力下限力结构的实际变形量为虚质量体沿滑动副方向的位移，获取实际着陆探测器中限力结构对应材料的弹性变形量，进而计算得到实际着陆探测器中限力结构的塑性变形量，其中，塑性变形量＝实际变形量-弹性变形量；

(5)重复步骤(2)-步骤(4)完成实际着陆探测器中所有限力结构动力学建模；

(6)根据不包括限力结构的着陆探测器多体动力学模型、所有限力结构动力学模型得到着陆探测器多体动力学模型，进而仿真得到着陆探测器所有限力结构的变形曲线、限力结构受力曲线。

所述的虚质量体的1个初始位置为实际着陆探测器中支撑杆与限力结构转动副连接的位置点。

所述的实际着陆探测器中着陆探测器本体与支撑杆间的作用力或反作用力fx遵循弹塑性变形理论。

所述的仿真得到着陆探测器所有限力结构的变形曲线、限力结构受力曲线为通过多体动力学软件实现。

所述的着陆探测器为倒三角式着陆探测器。

所述的着陆探测器包括着陆探测器本体、四套倒三角架式着陆缓冲机构，倒三角架式着陆缓冲机构包括2根多功能支柱、1个支撑杆、1个足垫，多功能支柱一端与着陆探测器本体胡克铰连接，另一端与足垫为球铰连接，支撑杆一端与足垫为固支连接，另一端与限力结构一端转动副连接，限力结构另一端与着陆探测器本体固支连接。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明方法与现有技术相比，能够在多体动力学建模中处理具有弹塑性弯曲变形特征的限力结构，避免了弯曲变形弹塑性材料建模分析使用有限元程序带来的耗时冗长的问题，能偶大大提升求解速度，具有计算效率高、耗时少，满足深空探测航天器着陆冲击缓冲预示需求、工程实用性强的优点；

(2)本发明方法通过与多功能支柱模型、足垫模型结合，能够完整描述“倒三角架式”缓冲结构的冲击缓冲力学特性，进而求解完整的着陆探测器冲击缓冲问题；

(3)本发明方法与现有技术相比，通过将限力结构的弯曲变形效应转化为着陆探测器本体与支撑杆间的线变形效应，解决了深空探测航天器着陆冲击缓冲建模问题，具有高效实用的优点。

附图说明

图1为限力结构与着陆探测器本体、支撑杆的连接关系；

图2为限力结构与着陆探测器本体、支撑杆的约束力学关系；

图3为限力结构加载卸载力学特性；

图4为着陆探测器着陆示意图；

图5为某深空着陆探测器限力结构变形曲线；

图6为某深空着陆探测器限力结构受力曲线。

具体实施方式

弹塑性弯曲变形限力结构建模分析的困难在于采用求解效率高、满足工程需求的多体动力学建模方法的同时，既要准确表征限力结构弯曲变形的弹塑性特性，又要满足限力结构与各部分的连接关系。一般情况下，限力结构一端与着陆探测器本体固支连接，另一端与支撑杆通过转动副连接，进而得到弹塑性弯曲变形限力结构建模为：既要将限力后的载荷传入探测器本体，又要在受力作用下实现支撑杆与着陆探测器本体间的相对姿态演化，正确描述探测器本体与限力结构、支撑杆间的约束及力学关系，是建模的关键。

本发明针对现有技术的不足，提出一种弹塑性弯曲变形限力结构的建模方法，即在“倒三角架式”缓冲结构受力分析基础上，将限力结构的弯曲变形效应转化为着陆探测器本体与支撑杆间的线变形效应，并引入限力结构虚质量体、建立约束和力学关系表征限力结构与着陆探测器本体及支撑杆的连接，下面结合附图对本发明进行详细说明。

如图1所示为限力结构与着陆探测器本体、支撑杆的连接关系，从结构上看，限力结构一端与着陆探测器本体固支连接，另一端与支撑杆转动副连接，限力结构受力作用将产生以限力结构、着陆探测器本体固支连接点为原点的弯曲变形，弯曲变形方向是任意且时变的；通过限力结构的受力分析可发现，限力结构的受力均经由足垫、支撑杆传递，而支撑杆传递载荷方向均沿轴向，因此可确定限力结构的唯一受力方向沿支撑杆轴向，即限力结构与支撑杆间为沿支撑杆轴向的作用力与反作用力。因此，限力结构的弯曲变形可采用时刻沿支撑杆轴线方向的线变形表征，限力结构与支撑杆间的作用力和反作用力即对应于弹塑性变形的弹塑性变形力，力的方向时刻沿支撑杆轴向，作用点位于支撑杆顶部与限力结构连接处。线变形与弹塑性变形力的关系，可通过单独对限力结构进行有限元建模获得，也可通过试验测量获得。

由于限力结构变形的存在，采用多体动力学方法建模时，无法将限力结构直接作为刚体建模以表征限力结构与着陆探测器本体及支撑杆间的连接与约束关系，为了表征限力结构在着陆探测器中与其他部件的连接和约束关系，并保证限力结构与支撑杆间的线变形方向沿支撑杆轴向，本发明方法引入虚质量体，并采用如下方法进行连接：虚质量体与着陆探测器本体转动副连接以表征限力结构一端与着陆探测器本体固支连接，另一端与支撑杆通过转动副连接；虚质量体与支撑杆间沿支撑杆轴向滑动副连接以指定限力结构弹塑性变形方向；着陆探测器本体与支撑杆间沿支撑杆轴向为作用力与反作用力关系以表征限力杆的弹塑性变形受力大小。采用以上连接方式，一方面满足了限力结构与各部分的连接关系，另一方面，约束了限力结构与支撑杆间的线变形及变形力方向，将方向时变的弯曲变形转化为由方向时变的支撑杆轴向方向线变形进行表征。

根据上述建模可以得到，本发明方法通过使限力结构受力方向为时刻与支撑杆轴向保持一致，将限力结构的弯曲变形问题转化为沿支撑杆轴向的线变形问题；通过引入虚质量体替代限力结构实体，建立相应的约束和力学关系，表征限力结构的实际连接关系及限力结构的弹塑性力学特性，下面结合实例对本发明方法进行更详细的解释和说明。

本发明以某型号深空探测“倒三角式”着陆探测器为例进行说明，如图1所示为限力结构与着陆探测器本体、支撑杆的连接关系，其中，①为着陆探测器本体，②为限力结构，③为支撑杆，该型号着陆探测器包括着陆探测器本体、四套“倒三角架式”着陆缓冲机构，每套着陆缓冲机构包括两根多功能支柱(兼具收拢、展开与缓冲功能的支柱)、一根支撑杆、一个足垫，多功能支柱与着陆本体为胡克铰连接，多功能支柱与足垫为球铰连接，支撑杆与足垫为固支连接，限力结构一端与着陆探测器本体固支连接，另一端与支撑杆通过转动副连接，本发明一种弹塑性弯曲变形限力结构的建模方法，具体实施步骤如下：

(1)建立不包括限力结构的着陆探测器多体动力学模型。

(2)将着陆探测器的限力结构实体以虚质量体替代，虚质量体的初始位置为支撑杆顶端(即支撑杆与限力结构实体通过转动副连接的位置点)。

(3)设置虚质量体、着陆探测器本体、支撑杆间的约束和力学关系：虚质量体与着陆探测器本体转动副连接，转动副方向与限力结构与支撑杆间转动副方向一致；虚质量体与支撑杆间滑动副连接，滑动副方向沿支撑杆轴向，着陆探测器本体与支撑杆间为沿支撑杆轴向的作用力与反作用力(即添加依赖于弹塑性变形量的着陆探测器本体与支撑杆间的作用力与反作用力fx，如图3所示为限力结构加载卸载力学特性，该力与弹塑性变形量有关，加载卸载过程遵循弹塑性变形理论)，如图2所示为限力结构与着陆探测器本体、支撑杆的约束力学关系，joint1为虚质量体与探测器本体在支撑杆顶部以转动副连接，joint2为虚质量体与支撑杆间滑动副连接，sforce1为着陆探测器本体与支撑杆间沿支撑杆轴向的作用力与反作用力。

(4)测量虚质量体沿滑动副的速度方向，进而得到限力结构承受为拉力或压力。

(5)测量虚质量体沿滑动副方向的位移，记录实际过程中在当前承受力情况下限力结构的实际变形量、弹性变形量、塑性变形量，其中，塑性变形量＝实际变形量-弹性变形量。

(6)重复步骤(2)-步骤(5)完成着陆探测器所有限力结构动力学建模。

(7)使用adams等商用多体动力学软件根据步骤(1)-步骤(6)得到着陆探测器动力学模型，仿真计算得到着陆探测器所有限力结构变形曲线、限力结构受力曲线。下面结合实施例对本发明方法进行更详细的解释说明。

实施例一

某深空着陆探测器，共采用四组“倒三角架式”着陆缓冲机构，限力结构材料为超塑性钢，限力结构弹塑性变形力学特性曲线由dytran软件通过单根限力结构仿真获得。

采用adams多体动力学软件建立着陆探测器多刚体动力学模型，并按以上实施步骤建立限力结构模型，形成完整的着陆探测器冲击缓冲预示模型。着陆探测器以垂直速度3.6m/s、水平速度1m/s、着陆至坡度为8°的斜坡表面，表面摩擦系数为1.0。如图4所示为着陆探测器着陆示意图，获得的限力结构变形曲线如图5所示，限力结构受力曲线如图6所示，图5中以模型初始构型点为基准，弹塑性变形为正表示压缩变形，弹塑性变形为负为拉伸变形。着陆缓冲机构1最先着陆，限力结构1发生弯曲变形，转换为线性压缩变形后最变形量达到44.5mm。达到最变形量后，弹塑性变形力卸载，弹塑性变形量退回至42mm。限力结构2～4均遵循此规律；图中限力结构2和限力结构4虽然着陆姿态上对称，但着陆探测器质心偏心导致其弹塑性变形量具有差异，图6中变形力为正表示压缩作用，变形力为负表示拉伸作用，由图中可以看出本发明方法可有效的表征限力结构的加载卸载力学特性，最终着陆探测器在斜坡表面稳定，限力结构提供稳定的支撑力作用。与现有技术相比，本发明方法计算2s的着陆冲击缓冲过程耗时几十秒，仿真效率非常高，适合着陆冲击过程仿真预示分析。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。