月面巡视器端抱式转移机构的力学特性分析与优化设计研究

摘要

对未知世界的探索是人类科技发展的原动力，深空探测就是人类当前探索未知的重要活动，月球作为人类探测太阳系和其它星球最理想的跳板和中转基地，也就成为人类深空探测的首选目标。采用月面巡视探测器（月球车）进行巡视探测是月球探测的重要手段，但月球车不能直接降落到月球表面，必须通过带有缓冲装置的着陆器进行搭载，待着陆器安全软着陆后借助专门的特殊释放装置从着陆器的搭载舱转移到月面之上，这个特殊释放装置就是转移机构。转移机构是月面巡视探测器在着陆器和月球表面之间的桥梁，转移过程是实现工程目标的重要环节。
　　为了保证月球探测任务顺利完成，必须解决转移机构的结构刚度和强度、月面适应性以及巡视器在转移过程中的平稳性和可靠性等难点。在发射和飞行阶段，转移机构需压紧在着陆器上，必须具有足够的刚度和强度，能经受发射过载，能承受着陆器软着陆时复杂的冲击载荷和结构响应;在着陆后，转移机构要求能够适应各种着陆器姿态及月面工况，在可能存在的极限工况下都能保证巡视器安全可靠平稳地转移到月面上并顺利分离。
　　因此，本文直接针对上述重大理论问题和技术难题，进行了大量文献调研，运用航天力学理论、数值计算和试验分析方法，独创性地提出一种新颖转移机构，并以最高的结构刚度、强度并满足其结构质量指标以及发射和工作环境要求为目标，开展转移机构结构优化设计，以确保巡视器释放和转移过程的可行性、可靠性和平稳性。所取得的主要研究成果如下:
　　(1)对比研究了国外已经成功应用的巡视探测器转移机构的典型范例及其构型特点与适用条件，并对国内相关单位提出的转移机构原理样机方案技术特点进行了概述和总结，结合我国探月二期工程任务目标和技术要求及特点，提出了端抱式的转移机构方案。
　　(2)针对月面巡视器转移机构的整个工作过程以及典型极限工况，运用运动学、动力学原理，建立了转移工作各个阶段的力学模型，应用经典力学方法对转移机构主要承载部件各个阶段的力学载荷进行了理论计算，然后再通过多体动力学软件对转移机构工作过程的动力学特性进行了仿真分析，通过理论计算和仿真分析进行相互验证，确定了转移机构各个承载部件的载荷数据。
　　(3)针对目前航天电机环境适应性差、较笨重的特点，本文提出了特殊的开口环形截面薄壁扭杆取代电机作为端抱式转移机构的动力源方案。为了获得开口环形截面薄壁扭杆的性能数据，基于圣维南原理、小变形理论和外轮廓不变假设，建立开口环形截面薄壁扭杆的约束扭转微分方程，采用初参数法对约束扭转微分方程进行了求解，得到开口环形截面薄壁扭杆的扭转性能及其应力应变关系;再通过理论计算与数值计算方法和实验相结合的研究方法，对开口扭杆的力学特性进行了研究，确定了开口环形截面薄壁扭杆的扭转力学特性。
　　(4)针对航天机构的轻量化和环境要求，采用了碳纤维复合材料对转移机构摆臂进行结构设计。针对碳纤维复合材料的特殊性能，基于经典层合板理论研究了各向异性的碳纤维复合材料的应力应变关系，并借助分层实体单元模型建立了各向异性的多层碳纤维复合材料的材料单元模型;然后根据端抱式转移机构的载荷工况定义了转移机构的边界约束条件和在和条件，建立了各个典型工况下的转移机构的有限元模型，并对转移机构所处的力学环境和典型极限工况，进行了谐振分析及力学校核，完成了端抱式转移机构的力学特性研究。
　　(5)针对跨度比较大的摆臂，以结构质量为约束条件，以摆臂的刚度为设计目标函数，采用多目标粒子群算法，对其截面尺寸进行了优化设计;针对空间结构的举升框，以举升框的体积为约束条件，以结构柔度为目标函数，基于变密度法对举升框进行了多工况下的拓扑优化设计。通过对转移机构主要部件的尺寸优化和拓扑优化，完善了端抱式转移机构的方案设计，提高了转移机构的结构刚度、强度以及整个转移机构的可靠性。
　　(6)为了验证整个端抱式转移机构方案的可行性以及合理性，针对转移机构的极限工况，以“共心三轴承”机构为基础，设计了姿态模拟试验平台，并对端抱式转移机构进行了相关的功能验证和环境适应性验证等地面模拟试验，验证了转移机构结构设计的可行性和可靠性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 月面巡视器转移机构的研究背景

1．1．1 深空探测与月球探测

1．1．2 我国的月球探测工程

1．1．3 转移机构的研究意义

1．2 深空探测器转移机构的研究现状

1．2．1 国外的深空探测器转移机构

1．2．2 国内的转移机构方案

1．2．3 其他相关的机械系统

1．3 深空探测器与结构优化设计

1．3．1 结构优化设计意义

1．3．2 结构优化设计研究进展

1．3．3 结构优化设计

1．4 本文研究内容

第2章 端抱式转移机构的动力学分析

2．1 引言

2．2 端抱式转移机构力学模型

2．2．1 端抱式转移机构结构组成

2．2．2 端抱式转移机构工作原理

2．3 关键节点的力学计算

2．3．1 端抱式转移机构受力分析

2．3．2 举升阶段

2．3．3 外摆推臂主动外摆阶段

2．3．4 重力作用外摆阶段

2．4 动力学仿真与结果

2．4．1 举升阶段仿真分析与载荷情况

2．4．2 外摆推臂主动外摆阶段仿真分析与载荷情况

2．4．3 重力作用外摆阶段仿真分析与载荷情况

2．5 小结

第3章 动力元件开口环形截面扭杆的力学分析

3．1 引言

3．2 开口环形截面杆件的自由扭转

3．2．1 圣维南扭转基本方程

3．2．2 扭转的薄膜比拟理论

3．2．3 开、闭口环形截面薄壁杆件扭转性能

3．3 开口环形截面杆件的约束扭转

3．3．1 开口薄壁杆件约束扭转微分方程

3．3．2 约束扭转微分方程的初参数法

3．3．3 开口环形截面杆件的约束扭转问题

3．4 开口环形截面杆件的扭转实验

3．5 小结

第4章 端抱式转移机构的数值仿真分析与计算

4．1 引言

4．2 碳纤维复合材料模型

4．2．1 碳纤维材料各向异性的应力应变关系

4．2．2 碳纤维材料多层结构的弹性特性

4．2．3 碳纤维复合材料的强度

4．3 有限元模型与边界条件

4．3．1 材料特性参数

4．3．2 层状结构单元与有限元模型

4．3．3 力学工况载荷环境

4．3．4 边界约束条件

4．4 数值分析结果

4．4．1 过载加速度载荷强度

4．4．2 模态与频率响应分析

4．4．3 转移机构的强度与刚度

4．5 小结

第5章 端抱式转移机构的结构优化

5．1 引言

5．2 结构优化设计方法

5．2．1 优化设计步骤

5．2．2 优化设计模型

5．2．3 优化设计算法

5．3 转移机构摆臂的尺寸优化

5．3．1 摆臂截面尺寸优化设计问题

5．3．2 摆臂截面尺寸优化数学模型

5．3．3 粒子群优化算法

5．3．4 摆臂截面尺寸优化结果

5．4 转移机构举升框的拓扑优化设计

5．4．1 多工况拓扑优化方法

5．4．2 转移机构举升框优化模型

5．4．3 拓扑优化效果分析

5．5 小结

第6章 姿态模拟平台与实验

6．1 引言

6．2 转移机构极限工况

6．3 姿态模拟平台

6．4 转移机构实验验证

6．4．1 转移功能验证试验

6．4．2 转移机构月面适应性试验

6．4．3 试验结果与讨论

6．5 小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

附录B 攻读学位期间所参加的科研项目