通用衛(wèi)星翻轉(zhuǎn)裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真與試驗(yàn)分析

秦利，李帥，李泳嶧

(北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100076)

0 引言

衛(wèi)星-適配器組合體在總裝過程中，需要豎直狀態(tài)下在其周向進(jìn)行總裝操作，之后翻轉(zhuǎn)至水平狀態(tài)并吊離。由于不同的組合體質(zhì)量、質(zhì)心均不一樣，因此為降低成本、提高設(shè)備使用率，設(shè)計(jì)一個(gè)通用化程度高、能適應(yīng)一定翻轉(zhuǎn)力矩的翻轉(zhuǎn)裝置十分必要。

翻轉(zhuǎn)裝置在工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，國際上有較多諸如美國Bushman、德國Horst Kumbruch GmbH等公司作為規(guī)模大、種類齊全的優(yōu)秀制造商，擁有數(shù)百種系列產(chǎn)品，但多用于圓柱或形狀規(guī)則的工件進(jìn)行翻轉(zhuǎn)等[1]；國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域起步較晚，基本維持在“專件專用”階段[2]，如太陽能電池片、自動(dòng)補(bǔ)彈系統(tǒng)領(lǐng)域等[3-4]。因此依據(jù)成熟經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)有技術(shù)，結(jié)合衛(wèi)星-適配器組合體自身特點(diǎn)，對通用化翻轉(zhuǎn)裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)與動(dòng)力學(xué)仿真迫在眉睫。

1 工作原理與理論分析

1.1 工作原理

通用翻轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 通用翻轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

通過同步操作兩側(cè)的減速機(jī)來實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)組件及升降組件整體0°～90°的翻轉(zhuǎn)，其中升降組件可單獨(dú)上下移動(dòng)來適應(yīng)不同產(chǎn)品的翻轉(zhuǎn)力矩。

1.2 理論分析

理論上為實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星-適配器組合體的平穩(wěn)翻轉(zhuǎn)，需通過調(diào)整升降組件的位置，并結(jié)合翻轉(zhuǎn)組件，通過二者力矩的疊加來抵消產(chǎn)品翻轉(zhuǎn)力矩Tc，即：

Tc=Ts+Tf=msg(Δhs+Δh)+mfgΔhf

(1)

式中：Δhs為升降組件質(zhì)心距離翻轉(zhuǎn)中心的距離；Δh為可調(diào)整的升降距離；Δhf為翻轉(zhuǎn)組件質(zhì)心距離翻轉(zhuǎn)中心的距離。

當(dāng)式(1)成立時(shí)操作人員最為省力。但由于翻轉(zhuǎn)組件與升降組件的實(shí)際質(zhì)量、質(zhì)心與理論存在偏差，故翻轉(zhuǎn)裝置上還需設(shè)置標(biāo)尺來適應(yīng)實(shí)際的Tc值。本文重點(diǎn)分析翻轉(zhuǎn)裝置在極限工況下的力學(xué)性能，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 仿真與優(yōu)化

已知衛(wèi)星-適配器組合體的最大翻轉(zhuǎn)力矩為12 600 N·m，此時(shí)質(zhì)心距翻轉(zhuǎn)裝置支撐面1 800 mm，當(dāng)升降組件升至最高位進(jìn)行翻轉(zhuǎn)時(shí)為最惡劣工況。

2.1 動(dòng)力學(xué)及有限元仿真

將翻轉(zhuǎn)裝置模型導(dǎo)入Adams中，建立運(yùn)動(dòng)副并添加相應(yīng)的Motions，得到所需的力矩曲線圖如圖 2所示，其中升降組件在最高位、翻轉(zhuǎn)至0°即60 s時(shí)的力矩最大，為5 689.6 N·m。

圖2 極限工況翻轉(zhuǎn)力矩曲線

根據(jù)上述所得極限力矩值作為結(jié)構(gòu)靜力學(xué)計(jì)算輸入，對翻轉(zhuǎn)裝置進(jìn)行考核，在不產(chǎn)生傾覆并具有足夠安全余量的情況下開展減重優(yōu)化設(shè)計(jì)。

從三維建模軟件導(dǎo)入模型至ANSYS中，所作前處理主要如下：

1)將實(shí)體模型中的部分矩形鋼管轉(zhuǎn)換為殼體，賦予各截面厚度及方向?qū)傩裕?/p>

2)設(shè)置各殼體間的線-線及線-面搭接位置為Bonded接觸；

3)設(shè)置網(wǎng)格的Elements Size為20 mm，節(jié)點(diǎn)數(shù)量約18萬。

具體邊界條件與載荷等詳見表1。

表1 翻轉(zhuǎn)裝置仿真計(jì)算工況、約束及邊界條件匯總表

圖3為優(yōu)化后的計(jì)算結(jié)果，主要是針對裝置中翻轉(zhuǎn)組件、架體部分矩形鋼管的壁厚進(jìn)行了調(diào)整，具體數(shù)值及其對應(yīng)的計(jì)算結(jié)果詳見表 2。

圖3 仿真結(jié)果圖

表2 計(jì)算結(jié)果匯總表

從表2的結(jié)果可知，除主要承力結(jié)構(gòu)外(包括翻轉(zhuǎn)組件的支撐法蘭與升降組件的連接件等)，當(dāng)其余框架的壁厚分別減至2 mm及1.5 mm后，最大變形約1 mm，最大應(yīng)力110.5 MPa，安全系數(shù)>3，跟最初的8 mm及6 mm壁厚相比，總重減少約330 kg。

在實(shí)際操作時(shí)，翻轉(zhuǎn)裝置會(huì)依據(jù)翻轉(zhuǎn)力矩的大小，從上至下依次設(shè)置標(biāo)識(shí)，待所翻轉(zhuǎn)的衛(wèi)星-適配器組合體質(zhì)量、質(zhì)心數(shù)值確定后，預(yù)先將升降組件調(diào)整至理論高度再進(jìn)行后續(xù)操作，可避免由誤操作導(dǎo)致極限工況的出現(xiàn)。

2.2 傾覆分析

依據(jù)圖 4進(jìn)行理論計(jì)算，分析如下：

圖4 理論傾覆協(xié)調(diào)圖

m1x-m2×1 800>0

(2)

式中：m1為翻轉(zhuǎn)裝置質(zhì)量，kg；m2為負(fù)載質(zhì)量，kg；x為翻轉(zhuǎn)裝置至支撐面的距離。根據(jù)圖示數(shù)值可知x為404，故當(dāng)承載最大負(fù)載時(shí)，在0°～90°的翻轉(zhuǎn)過程中機(jī)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生傾覆風(fēng)險(xiǎn)。

3 加載試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)要求

基于上述分析，對翻轉(zhuǎn)裝置開展加載翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)，并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

根據(jù)有限元理論計(jì)算應(yīng)力分布，試驗(yàn)測點(diǎn)位置如圖5所示。

圖5 加載測點(diǎn)示意圖

a)試驗(yàn)要求

1)在翻轉(zhuǎn)裝置的支撐面上安裝配重，以開展加載翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)(注：在加載試驗(yàn)前先進(jìn)行空載試驗(yàn)以驗(yàn)證翻轉(zhuǎn)過程平穩(wěn)順暢)；

2)在圖5所示位置布設(shè)傳感器(精度±5%，采樣頻率100 Hz)；

3)操作崗位人員設(shè)有試驗(yàn)現(xiàn)場指揮1人、操作崗2人、多媒體記錄崗1人及技安崗1人；

4)試驗(yàn)次數(shù)為3次。

試驗(yàn)現(xiàn)場及試驗(yàn)結(jié)果見圖6及表3。

圖6 試驗(yàn)現(xiàn)場

表3 試驗(yàn)結(jié)果匯總表

b)試驗(yàn)主要過程與方法

1)通過左右兩側(cè)操作人員同步勻速地旋轉(zhuǎn)手輪，使翻轉(zhuǎn)組件帶動(dòng)負(fù)載進(jìn)行0°～90°的翻轉(zhuǎn)，待翻轉(zhuǎn)到位后觀察產(chǎn)品狀態(tài)，確認(rèn)無異常后再翻轉(zhuǎn)歸位，如此反復(fù)3次。

2)在翻轉(zhuǎn)過程中，通過在指定位置所貼應(yīng)變片，記錄數(shù)據(jù)并進(jìn)行多媒體記錄。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果對比分析

由于傳感器自身測量誤差、真實(shí)試驗(yàn)條件與仿真模型存在少許出入，可認(rèn)為試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)與理論仿真一致，即所設(shè)計(jì)的翻轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)形式滿足實(shí)際使用要求。

4 結(jié)語

通過對通用翻轉(zhuǎn)裝置在翻轉(zhuǎn)過程中所受載荷進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，定量計(jì)算其在極限工況下的最大轉(zhuǎn)矩值，得出經(jīng)優(yōu)化減重后的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)能夠滿足實(shí)際使用工況，最后通過實(shí)物加載與翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

實(shí)際上通過與在產(chǎn)品連接的法蘭處增加轉(zhuǎn)接板，可按要求實(shí)現(xiàn)新狀態(tài)衛(wèi)星-適配器組合體的翻轉(zhuǎn)功能，若超出翻轉(zhuǎn)力矩范圍，可采取額外增加配重的方式加以實(shí)現(xiàn)，但應(yīng)在其防傾覆范圍內(nèi)。