磁悬浮飞轮可重复抱式锁紧装置用弹片的设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及磁悬浮飞轮可重复抱式锁紧装置用弹片的设计领域，特别是大型航天 器用大惯量磁悬浮飞轮和大型磁悬浮控制力矩陀螺锁紧装置用弹片的设计方法。
【背景技术】
[0002] 随着航天技术的发展，为满足对航天器定姿、定轨精度越来越高的要求，通常采用 反作用飞轮和偏置动量轮控制卫星平台。磁悬浮飞轮是一种新型航天器姿态控制系统，与 传统机械飞轮相比，在控制精度和使用寿命等方面具有明显优势。由于磁悬浮飞轮定、转子 间存在一定的磁保护间隙，为防止发射主动段飞轮定、转子相互碰撞冲击而损坏，飞轮系统 必须采用锁紧机构，对其进行锁紧约束保护。
[0003] 根据锁紧装置在磁悬浮飞轮中的位置，锁紧装置可分为内锁紧装置和外锁紧装 置。根据锁紧/解锁次数，锁紧装置可分为一次性锁紧装置和可重复锁紧装置。航天器发 射前，磁悬浮飞轮必须完成各种地面环境试验，需经常对其进行锁紧/解锁。此外，变轨工 作时，为防止自由状态的飞轮对姿控平台的干扰，也需将其锁紧；入轨后，再对飞轮转子进 行解锁。目前所使用的可重复锁紧装置主要有电磁锁紧装置、基于电机-锥面锁盖锁紧装 置、基于电机-杠杆锁紧装置和抱式锁紧装置。专利申请号200810119968. 0所述的电磁 锁紧装置，通过控制电磁铁的电磁磁场与永磁磁场正/反向叠加，实现飞轮的重复锁紧/ 解锁。但锁紧启动力与解锁间隙成反比，且解锁间隙不可调整，对锁紧装置的装配调试带 来极大不便。工作时，一般在飞轮底座上沿圆周方向安装三至四个电磁锁紧装置，使得执 行锁紧和执行解锁时，对电磁铁动作的同步性要求较高。此外，若任一电磁锁紧装置失效， 就会导致磁悬浮飞轮系统不能执行锁紧和解锁，降低了锁紧装置的可靠性。专利申请号 201210338347. 8所述的基于电机-锥面锁盖锁紧装置，通过电机正/反转，驱动锥面锁盖压 紧/松开飞轮转子，实现了飞轮的重复锁紧/解锁。锥面锁盖放置于定子芯轴径向内侧，减 小了飞轮体积和重量，但锥面锁盖锥面的约束面积较小，锁紧约束刚度偏低，导致振动过程 中大惯量磁悬浮飞轮定、转子间振动位移较大。专利申请号200910093150. 0所述的抱式锁 紧装置，利用弹片作为伸张机构，利用钢丝绳作为收紧机构，通过电机正/反转，驱使收紧 机构将伸张机构收拢/松开，从而抱紧/释放飞轮转子，实现飞轮的重复锁紧/解锁。该锁 紧装置与电磁锁紧装置相比，当锁紧装置发生故障时，采用火工品斩断钢丝绳对飞轮进行 强制解锁，增加了执行解锁可靠性，且弹片行程可调，即解锁间隙可调，具有装配调试方便 的优点。与基于电机-锥面锁盖锁紧装置相比，抱式锁紧装置的弹片与飞轮转子边缘接触 面积较大，增加了锁紧的刚度，从而可更好地对大惯量飞轮转子进行约束保护。
[0004] 弹片作为可重复抱式锁紧装置的关键部件，其力学性能对飞轮系统的影响如下： (1)锁紧状态下的解锁力决定了锁紧装置的解锁可靠性；（2)锁紧电机功率一定时，钢丝 绳张力保持不变，即解锁力与锁紧力之和为一定值，解锁力越大锁紧力越小，锁紧可靠性越 低；（3)锁紧状态下过大的弯曲应力可能导致弹片塑性变形；(4)解锁状态下，弹片处于自 由状态，其解锁状态一阶共振频率过低，会影响飞轮系统控制力矩精度；（5)锁紧状态下， 即使锁紧力能够约束飞轮转子，但过低的锁紧刚度会导致发射主动段定、转子间的振动位 移过大，致使定、转子间发生激烈的碰撞与冲击；(6)发射主动段，飞轮转子惯性力较大，过 低的锁紧阻尼不能够及时吸收飞轮转子动能，迫使振动位移进一步放大，也会导致激烈碰 撞与冲击的发生。因此如何设计出能满足整个锁紧装置的锁紧与解锁可靠性、飞轮系统性 能和飞轮锁紧保护效果要求的弹片是需要解决的问题。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题是提供一种磁悬浮飞轮可重复抱式锁紧装置用弹片的 设计方法，能设计出高刚度高阻尼的磁悬浮飞轮用可重复抱式锁紧装置，解决现有小惯量 磁悬浮飞轮锁紧装置设计方法以质量最小为优化目标的问题。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明提供一种磁悬浮飞轮可重复抱式锁紧装置用弹片的 设计方法，该方法以可重复抱式锁紧装置用弹片的锁紧刚度和锁紧阻尼综合最优为设计目 标，包括以下步骤：
[0007] 步骤1，设定离散设计变量弹片个数为n=i= 4 ;
[0008] 步骤2,设定连续设计变量弹片高度h、弹片厚度t和弹片宽度w的初始值；
[0009] 步骤3,采用有限元软件ANSYS作为处理工具，利用设定的弹片个数和弹片高度h、 弹片厚度t和弹片宽度w的初始值，分别建立以下弹片相关状态的模型，具体为：
[0010] (1)建立弹片在锁紧状态的静力学有限元模型，将该模型APDL命令流保存至锁紧 静力学文件，计算出弹片质量M、最大弯曲应力〇 _和解锁力fu，将计算结果保存至锁紧静 力学结果文件；
[0011] (2)建立弹片在锁紧状态的动力学有限元模型，将该模型APDL命令流保存至锁紧 动力学文件，计算出弹片质量M、锁紧状态一阶共振频率Fu、锁紧刚度K和锁紧阻尼D，将计 算结果保存至锁紧动力学结果文件；
[0012] (3)建立弹片在解锁状态的动力学有限元模型，将该模型APDL命令流保存至解锁 动力学文件，计算出弹片质量M和解锁状态一阶共振频率FU1，将计算结果保存至解锁动力 学结果文件；
[0013] 步骤3,将所述锁紧静力学文件、锁紧静力学结果文件、锁紧动力学文件、锁紧动力 学结果文件、解锁动力学文件和解锁动力学结果文件导入多学科优化软件iSIGHT中，并设 定连续设计变量弹片高度h、弹片厚度t和弹片宽度w的取值范围，以及设定约束变量弹片 质量M、最大弯曲应力〇max、解锁力fu、锁紧状态一阶共振频率Fu和解锁状态一阶共振频率 Ful的约束范围；
[0014] 步骤4,利用多学科优化软件iSIGHT的优化算法计算搜索方向和迭代步长，反复 将文本文件锁紧静力学文件、锁紧动力学文件和解锁动力学文件导入有限元软件ANSYS对 弹片进行静力学和动力学计算，同时输出与各文件对应的锁紧静力学结果文件、锁紧动力 学结果文件和解锁动力学结果文件；
[0015] 步骤5,判断优化过程是否收敛；
[0016] 步骤6,若优化不收敛，根据搜索方向和迭代步长，改变连续设计变量弹片高度h、 弹片厚度t和弹片宽度w，转到步骤3 ;
[0017] 步骤7,若优化收敛，记录弹片次优锁紧刚度Kimax和次优锁紧阻尼Dimax;
[0018] 步骤8,判断弹片个数n=i是否小于其最大值12 ;
[0019] 步骤9,若弹片个数n=i小于最大弹片个数12时，弹片个数变为n=i+1，并将 n=i+1代入步骤2,进入循环计算；
[0020] 步骤10,若弹片个数n=i不小于最大弹片个数12时，比较所有的弹片次优锁紧 刚度Kimax和次优锁紧阻尼Dimax，并得到弹片全域最优锁紧刚度K。和最优锁紧阻尼D。。
[0021] 本发明的有益效果为：由于利用有限元软件ANSYS与多学科优化软件iSIGHT配 合，提高了设计效率，而且以锁紧装置的高刚度和高阻尼为设计目标，与现有的以锁紧装置 的质量最小为出发点的设计方法相比，更加利于提高锁紧装置的性能，尤其是更加适用于 大惯量磁悬浮惯性执行机构锁紧装置的设计。
【附图说明】
[0022] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用 的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本 领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他 附图。
[0023] 图1为本发明实施例提供方法设计的磁悬浮飞轮锁紧装置三维结构示意图；
[0024] 图2a为本发明实施例提供方法设计的磁悬浮飞轮锁紧装置的弹片剖视图；
[0025] 图2b为本发明实施例提供方法设计的磁悬浮飞轮锁紧装置的弹片截面图；
[0026] 图2c为本发明实施例提供方法设计的磁悬浮飞轮锁紧装置的弹片三维结构示意 图；
[0027] 图3为本发明实施例提供的设计方法流程图。
【具体实施方式】
[0028] 下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例 仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术 人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。