气囊式火星着陆器着陆缓冲过程仿真分析与试验验证

摘要

气囊式缓冲技术是工程上常用的一种着陆缓冲技术，广泛应用于航空、航天以及国防工业领域，可以明显地降低重要仪器与装备着陆时的冲击载荷，具有结构轻便、缓冲效率高和适应范围广等优点，适合应用于火星探测的着陆系统。
　　由于气囊式火星着陆器结构复杂、工况极端、可靠性要求高等特点，设计分析往往涉及多物理场、大规模科学计算，其计算“效率”与“精度”已成为相关领域的瓶颈问题。基于超算平台来解决上述瓶颈问题，构建基于超算平台的火星着陆器优化设计，对火星探测工程与装备的设计研发具有重大意义。
　　本文基于超算平台，以CAE数值模拟分析技术为基础，采用有限元仿真与试验验证相结合的方法研究了气囊式火星着陆器的着陆缓冲性能。主要有以下工作:
　　(1)基于国内外各类型缓冲装备的技术与功能指标，以及现有着陆装备的优势与劣势，提出气囊式着陆器的总体设计方案，并完成物理模型的制作;
　　(2)基于着陆器着陆缓冲过程的实际工况，结合有限元仿真模型的计算结果以及其验证的需要，提出了火星着陆器试验台架的总体设计方案，并完成了结构设计及主要部件的强度、刚度和可靠性校核;
　　(3)基于气囊的控制体积算法，结合LS-DYNA有限元分析软件，建立气囊式火星着陆器的有限元模型，并提交到超算平台，对其着陆过程进行仿真分析，得到着陆舱体质心的加速度曲线和缓冲气囊的压力变化曲线;
　　(4)对气囊式火星着陆器物理模型进行着陆缓冲试验，测得试验过程中着陆舱体的加速度变化曲线与气囊压力变化曲线。将火星着陆器物理模型的缓冲试验数据与仿真数据进行对比，对比结果发现仿真计算结果与试验结果吻合的很好，验证了有限元模型的有效性;
　　(5)以火星着陆器气囊系统的初始参数为对象，在一定区间选取不同参数值进行采样，重新建模，基于超算平台开展火星着陆器系统软着陆过程仿真，并应用遗传算法对其初始参数进行优化，得到较合理的火星着陆器气囊系统的初始参数，完成气囊系统软着陆过程仿真，使气囊缓冲性能达到最优。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景和课题来源

1．2 国内外研究现状

1．3 所用软件介绍

1．3．1 HYPERWORKS软件介绍

1．3．2 LS-PREPOST软件介绍

1．3．3 LS-DYNA软件介绍

1．4 本文研究的主要内容

第2章 气囊式火星着陆器的结构设计

2．1 引言

2．2 着陆舱几何参数的设计

2．3 气囊缓冲系统几何参数的设计

2．4 火星着陆器物理样机的装配

2．4．1 着陆舱的装配

2．4．2 气囊系统的安装

2．5 小结

第3章 气囊式火星着陆器试验台架的设计

3．1 引言

3．2 试验台架的功能要求

3．3 桁车的设计

3．4 齿轮箱的设计

3．4．1 齿轮箱体的外形尺寸

3．4．2 传动比的确定

3．4．3 齿轮的设计

3．4．4 齿轮轴的设计

3．5 自动脱钩装置

3．6 小结

第4章 缓冲气囊的有限元理论基础及仿真分析

4．1 引言

4．2 气囊数值模拟方法

4．2．1 FSI模型

4．2．2 CV模型

4．3 接触碰撞理论

4．4 着陆器有限元模型的建立

4．4．1 三维模型网格的划分

4．4．2 有限元模型关键字的定义

4．5 基本工况介绍及仿真结果分析

4．6 小结

第5章 气囊式火星着陆器着陆过程的试验验证

5．1 引言

5．2 试验目的

5．3 试验投放原理

5．4 试验设备与传感器的布置

5．4．1 试验设备

5．4．2 各传感器的测点布置及安装

5．5 试验测试结果

5．5．1 试验测试前的检查

5．5．2 试验测试结果

5．6 实验数据与仿真数据对比

5．7 小结

第6章 气囊式火星着陆器软着陆系统的优化设计

6．1 引言

6．2 优化理论与方法

6．2．1 优化设计流程

6．2．2 遗传算法原理

6．3 优化分析过程

6．3．1 多目标优化设计定义

6．3．2 多目标优化设计结果

6．3．3 优化结果有效性验证

6．3．4 优化结果数据对比

6．4 小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间发表的论文