CN109033600B - 一种单侧人型杆缠绕过程有限元仿真分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单侧人型杆缠绕过程有限元仿真分析方法，人型杆是由两个横截面具有一定曲率的圆弧粘贴在一起组成的壳体结构，是大型航天器结构的主要支撑部件之一，也是继双稳态圆型截面超弹性杆和豆荚型截面超弹性杆之后发现的一个值得深入研究的驱动展开机构。该方法采用ABAQUS仿真软件，绘制出模型的部件并赋予部件相应属性，创建坐标系，将所有部件在合适坐标系中装配完成，在分析步中使用显示动力积分法。以人型杆实际工作情况为依据，考虑接触非线性和几何位移非线性，创建部件之间的相互作用并施加载荷。采用S4R单元建立了人型杆复合材料缠绕有限元模型并进行力学仿真分析。本发明可以简化有限元分析的计算量，增加效率又不损失计算精度。

Description

一种单侧人型杆缠绕过程有限元仿真分析方法

技术领域

本发明属于航空航天领域，具体涉及一种单侧人型杆缠绕过程有限元仿真分析方法，人型杆是人型截面超弹性杆简称，适用于对机械系统进行动力学的有限元仿真分析。

背景技术

空间可展开结构采用高比强度、高比刚度、高几何稳定性的宇航材料，它在发射过程中处于折叠收拢状态，固定在运载工具有效载荷舱内，体积最小，待发射入轨后逐渐展开，成为一个大型复杂的宇航结构物，锁定并保持为工作状态。当航天器要自动返回或被回收时，则机构可先行折叠收拢，然后自动返回或被载人飞船回收。

当前世界上在宇航空间可展机构领域里面的超弹性杆是指能够在5％弹性应变范围内多次实现大于180°变形的薄壁结构，主要应用于大型空间可展天线和太阳帆的支撑背架、探测臂等。利用超弹性杆的大挠度变形特性完成缠绕，实现薄膜天线的高展收比收拢；利用释放超弹性杆弯曲所存储的弹性势能，实现薄膜天线的自驱动展开。在保证任务需求的型面精度和口径下，具有收拢比大、便于控制的优点，其主要采用的种类是圆形、豆荚形和人型，人型杆具有截面方向可变形的特性，被拉扁或压扁后可容易实现人型杆的卷曲缠绕收藏；当截面恢复原来的形状时，人型杆具有较好的刚度。在相同压扁宽度和相同应力水平条件下，人型杆的抗弯刚度是储能圆杆的34倍，是豆荚杆的10倍，具有更高的抗弯刚度与收拢体积比率。

发明内容

本发明的目的是：在航空航天领域，由于所研究的系统造价昂贵，需要很长的时间才能了解系统参数变化所引起的后果，本发明采用ABAQUS仿真软件，以人型杆实际工作情况为依据，仿真模拟了人型杆压扁和缠绕过程，得到的结果不仅具有较高的可信度，为实际工作带来重要的参考价值，而且可以取得很高的经济效益。

本发明采用的技术方案为：一种单侧人型杆缠绕过程有限元仿真分析方法，包括以下步骤：

一种单侧人型杆缠绕过程有限元仿真分析方法，人型杆通过一种带有径向预紧的人型杆单侧动机构运作过程：人型杆初始状态是完全展开的，通过第一压扁轮1和第二压扁轮2的压平，可以紧密的卷曲缠绕到滚筒3之上；电机4同时驱动滚筒转动和齿条的移动，存储在滚筒上的人型杆5随着滚筒的转动开始向外伸展，依次通过两个压扁轮即第一压扁轮1和第二压扁轮2和夹头7部分，当人型杆展开到预定位置时，齿条触发触发器8，触发器旋转一定的角度后与摇臂9分离，此时释放了凸轮10的锁定限位，凸轮转动，弹簧11释放预紧力，推杆6在弹簧预紧力的作用下向下移动，实现径向预紧机构对人型杆的夹紧，包括以下步骤：

(1)简化模型：

在整个模型中，分别创建以下部件：第一压扁轮部件14、第二压扁轮部件15、滚筒部件16、导向轮部件17、人型杆部件一12、人型杆部件二13和模拟人型杆部件一12、人型杆部件二13在缠绕过程中的相互作用的粘接段18。

(2)确定分析步：

①压扁：对人型杆上、下面分别施加载荷，使其完全压扁；

②端部压紧：滚筒锁定人型杆；

③缠绕：滚筒带动人型杆匀速转动且人型杆通过第一压扁轮和第二压扁轮完全压扁，经由导向轮逐渐缠绕卷进。

(3)设置各部件连接关系：

第一压扁轮和第二压扁轮与Y轴平行，考虑到人型杆自身存在的厚度以及防止压扁时产生应力集中，两压扁轮之间在X方向相距1.9mm；人型杆部件1与人型杆部件2通过粘接段紧密连接在一起，直杆部分在两压扁轮之间。滚筒的位置与人型杆完全压扁后的起始端相切，且位于X轴正方向。导向轮圆心位置是以滚筒圆心沿Z轴负方向偏移5mm处。

①在压扁分析步中，人型杆弯曲部分上、下内表面建立接触，力学约束公式是罚接触方法，采用有限滑移的方法进行运动并一直作用于固定和缠绕分析步；

②在端部压紧分析步中，离滚筒较近的人型杆外侧与滚筒外侧建立接触并一直作用于缠绕分析步中；

③在缠绕分析步中，人型杆上、下两侧的外表面分别与第一、二压扁轮的外表面接触，采用运动接触方法进行分析；

④滚筒、导向轮、第一压扁轮和第二压扁轮均采用刚体约束，定义刚体参考点时均选择质心，质心位置可以在部件模块中通过查询功能得到部件体积、形心坐标和惯性矩结果等。刚体表面的运动完全取决于控制点的运动，滚筒、导向轮、压扁轮作为接触面的主面。人型杆上、下部两端水平段分别与粘接段采用绑定约束，让两个面连接在一起不再分开，用来模拟上、下人型杆之间粘接胶粘合作用，在分析过程中不需再考虑从面节点自由度，也不需判断从面节点的接触状态，会大大缩短计算时间。

⑤为了实现人型杆水平段与参考点的运动耦合关系，采用运动耦合约束建立人型杆一端水平段和参考点自由度耦合，此参考点作为与杆的连接点。

(4)边界条件：

根据实际工况并结合单侧人型杆缠绕过程有限元仿真的特点合理选择约束施加方案。

①在压扁和端部压紧分析步中，滚筒完全固定，防止在仿真过程中部件因缺少约束而发生随机偏移；在缠绕分析步中，释放滚筒在X方向的转角自由度，沿X方向转角大小设置为5.88rad，滚筒带动一端固定在其上的完全压扁的人型杆进行缠绕。

②在缠绕过程中，因为人型杆通过滚筒的旋转逐渐缠绕会在Z方向产生位移，所以释放人型杆沿Z方向位移自由度，其他方向自由度仍设置为初始状态。

③在压扁和端部压紧分析步中，将人型杆直杆边缘部分的两条线完全固定，在缠绕分析步中，释放Y轴和Z轴位移自由度以及X轴转角自由度。

④在整个缠绕过程中，导向轮、第一压扁轮和第二压扁轮的自由度均设置为初始状态。

(5)施加载荷：

以实际工作载荷为基础,确定单侧人型杆缠绕过程壳单元的载荷施加方法。

①在压扁分析步中，给人型杆两侧弯曲部分壳的边单元施加沿Y轴负方向大小为800N/m的线载荷且一直作用于缠绕过程，模拟人型杆前端通过压扁轮形成的完全压扁状态。

②在压扁分析步中，给人型杆两侧壳单元施加粘性分布、大小为Pv的载荷且一直作用于缠绕过程，

式中Cv是粘性常数，V是人形杆施加粘性压力部分的速度，n是垂直于施加载荷表面向外的单位向量。

③在压扁分析步中，分别给人型杆弯曲部分的首尾两端边单元施加沿Z轴正、负方向大小均为20N/m的载荷且一直作用于缠绕过程，保证人型杆在缠绕过程中始终处于拉直伸长状态，模拟人型杆实际工作情况。

④在端部压紧分析步中，分别给人型杆1，2部分的壳单元施加分布一致，大小为0.1MPa的载荷，模拟人型杆通过压扁轮的压扁过程。

(6)简化模型，进行有限元仿真；

(7)结果评定及修改：

结合缠绕力学以及应力理论，对有限元仿真计算的结果进行有效性评价及误差分析，若结果不收敛或缠绕中发生凸起，则重新调整分析步、部件连接关系、边界条件和载荷等，直至结果满足理论要求且符合实际工况。

其中，人型杆缠绕过程中上、下杆的外表面与滚筒外表面的接触由点、线逐渐扩展为面，杆上、下内表面之间由两边向中间逐渐扩展接触。

其中，采用压扁轮进行压扁。

其中，采用S4R单元建立了人型杆复合材料缠绕有限元模型。

本发明的原理在于：人型杆通过一种带有径向预紧的人型杆单侧动机构(如图2)运作过程：人型杆初始状态是完全展开的，通过第一压扁轮和第二压扁轮的压平，可以紧密的卷曲缠绕到滚筒之上；电机同时驱动滚筒转动和齿条的移动，存储在滚筒上的人型杆随着滚筒的转动开始向外伸展，依次通过两个压扁轮和夹头部分，当人型杆展开到预定位置时，齿条触发触发器，触发器旋转一定的角度后与摇臂分离，此时释放了凸轮的锁定限位，凸轮转动，弹簧释放预紧力，推杆在弹簧预紧力的作用下向下移动，实现径向预紧机构对人型杆的夹紧。

本发明与现有的技术相比其特点和优势为：

本发明采用ABAQUS进行有限元仿真，可以模拟人型杆的压扁和缠绕过程，对最终结果进行不断优化与调整，得到的结果更接近真实情况。在仿真过程中,网格划分单元形状以四边形为主，有限元模型为正六面体网格,既保证了建模的立体性，也避免了因建模复杂而导致计算量过大，实用性强。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为一种带有径向预紧的人型杆单侧驱动机构的结构剖面示意图；

图3为带有径向预紧的人型杆单侧驱动机构的夹头剖面示意图。

图4为人型杆缠绕仿真几何模型图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

本发明一种单侧人型杆缠绕过程有限元仿真分析方法，人型杆通过一种带有径向预紧的人型杆单侧动机构(如图2，图3)运作过程：人型杆初始状态是完全展开的，通过第一压扁轮1和第二压扁轮2的压平，可以紧密的卷曲缠绕到滚筒3之上；电机4同时驱动滚筒转动和齿条的移动，存储在滚筒上的人型杆5随着滚筒的转动开始向外伸展，依次通过两个压扁轮即第一压扁轮1，第二压扁轮2和夹头7部分，当人型杆展开到预定位置时，齿条触发触发器8，触发器旋转一定的角度后与摇臂9分离，此时释放了凸轮10的锁定限位，凸轮转动，弹簧11释放预紧力，推杆6在弹簧预紧力的作用下向下移动，实现径向预紧机构对人型杆的夹紧。

1、简化模型，删除多余部件

在整个模型中，分别创建以下部件(如图4所示)：第一压扁轮部件14、第二压扁轮部件15、滚筒部件16、导向轮部件17、人型杆部件一12、人型杆部件二13和模拟人型杆部件一、人型杆部件二在缠绕过程中的相互作用的粘接段18。

2、确定分析步

(1)压扁：对人型杆上、下面分别施加载荷，使其完全压扁；

(2)端部压紧：滚筒锁定人型杆；

(3)缠绕：滚筒带动人型杆匀速转动且人型杆通过第一压扁轮和第二压扁轮完全压扁，经由导向轮逐渐缠绕卷进。

3、设置各部件连接关系

第一压扁轮和第二压扁轮与Y轴平行，考虑到人型杆自身存在的厚度以及防止压扁时产生应力集中，两压扁轮之间在X方向相距1.9mm；人型杆部件1与人型杆部件2通过粘接段紧密连接在一起，直杆部分在两压扁轮之间。滚筒的位置与人型杆完全压扁后的起始端相切，且位于X轴正方向。导向轮圆心位置是以滚筒圆心沿Z轴负方向偏移5mm处。

(1)在压扁分析步中，人型杆弯曲部分上、下内表面建立接触，力学约束公式是罚接触方法，采用有限滑移的方法进行运动并一直作用于固定和缠绕分析步；

(2)在端部压紧分析步中，离滚筒较近的人型杆外侧与滚筒外侧建立接触并一直作用于缠绕分析步中；

(3)在缠绕分析步中，人型杆上、下两侧的外表面分别与第一、二压扁轮的外表面接触，采用运动接触方法进行分析；

(4)滚筒、导向轮、第一压扁轮和第二压扁轮均采用刚体约束，定义刚体参考点时均选择质心，质心位置可以在部件模块中通过查询功能得到部件体积、形心坐标和惯性矩结果等。刚体表面的运动完全取决于控制点的运动，滚筒、导向轮、压扁轮作为接触面的主面。人型杆上、下部两端水平段分别与粘接段采用绑定约束，让两个面连接在一起不再分开，用来模拟上、下人型杆之间粘接胶粘合作用，在分析过程中不需再考虑从面节点自由度，也不需判断从面节点的接触状态，会大大缩短计算时间。

(5)为了实现人型杆水平段与参考点的运动耦合关系，采用运动耦合约束建立人型杆一端水平段和参考点自由度耦合，此参考点作为与杆的连接点。

4、定义边界条件

根据实际工况并结合单侧人型杆缠绕过程有限元仿真的特点合理选择约束施加方案。

(1)在压扁和端部压紧分析步中，滚筒完全固定，防止在仿真过程中部件因缺少约束而发生随机偏移；在缠绕分析步中，释放滚筒在X方向的转角自由度，沿X方向转角大小设置为5.88rad，滚筒带动一端固定在其上的完全压扁的人型杆进行缠绕。

(2)在缠绕过程中，因为人型杆通过滚筒的旋转逐渐缠绕会在Z方向产生位移，所以释放人型杆沿Z方向位移自由度，其他方向自由度仍设置为初始状态。

(3)在压扁和端部压紧分析步中，将人型杆直杆边缘部分的两条线完全固定，在缠绕分析步中，释放Y轴和Z轴位移自由度以及X轴转角自由度。

(4)在缠绕过程中，导向轮、第一压扁轮和第二压扁轮的自由度均设置为初始状态。

5、施加载荷

以实际工作载荷为基础,确定单侧人型杆缠绕过程壳单元的载荷施加方法。

(1)在压扁分析步中，给人型杆两侧弯曲部分壳的边单元施加沿Y轴负方向大小为800N/m的线载荷且一直作用于缠绕过程，模拟人型杆前端通过压扁轮形成的完全压扁状态。

(2)在压扁分析步中，给人型杆两侧壳单元施加粘性分布、大小为Pv的载荷且一直作用于缠绕过程。

式中Cv是粘性常数，V是人形杆施加粘性压力部分的速度，n是垂直于施加载荷表面向外的单位向量。

(3)在压扁分析步中，分别给人型杆弯曲部分的首尾两端边单元施加沿Z轴正、负方向大小均为20N/m的载荷且一直作用于缠绕过程，保证人型杆在缠绕过程中始终处于拉直伸长状态，模拟人型杆实际工作情况。

(4)在端部压紧分析步中，分别给人型杆1，2部分的壳单元施加分布一致，大小为0.1MPa的载荷，模拟人型杆通过压扁轮的压扁过程。

6、简化模型，进行有限元仿真。

7、人型杆缠绕过程中上、下杆的外表面与滚筒外表面的接触由点、线逐渐扩展为面，杆上、下内表面之间由两边向中间逐渐扩展接触。

8、结果评定及修改：结合缠绕力学以及应力理论，对有限元仿真计算的结果进行有效性评价及误差分析，若结果不收敛或缠绕产生凸起，则重新调整分析步、部件连接关系、边界条件和载荷等，直至结果满足理论要求且符合实际工况。

Claims (4)

1.一种单侧人型杆缠绕过程有限元仿真分析方法，人型杆通过一种带有径向预紧的人型杆单侧动机构运作过程：人型杆初始状态是完全展开的，通过第一压扁轮(1)和第二压扁轮(2)的压平，能够紧密的卷曲缠绕到滚筒(3)之上；电机(4)同时驱动滚筒转动和齿条的移动，存储在滚筒上的人型杆(5)随着滚筒的转动开始向外伸展，依次通过两个压扁轮即第一压扁轮(1)和第二压扁轮(2)和夹头(7)部分，当人型杆展开到预定位置时，齿条触发触发器(8)，触发器旋转一定的角度后与摇臂(9)分离，此时释放了凸轮(10)的锁定限位，凸轮转动，弹簧(11)释放预紧力，推杆(6)在弹簧预紧力的作用下向下移动，实现径向预紧机构对人型杆的夹紧，其特征在于，包括以下步骤：

(1)简化模型：

在整个模型中，分别创建以下部件：第一压扁轮部件(14)、第二压扁轮部件(15)、滚筒部件(16)、导向轮部件(17)、人型杆部件一(12)、人型杆部件二(13)和模拟人型杆部件一(12)、人型杆部件二(13)在缠绕过程中的相互作用的粘接段(18)；

(2)确定分析步：

①压扁：对人型杆上、下面分别施加载荷，使其完全压扁；

②端部压紧：滚筒锁定人型杆；

③缠绕：滚筒带动人型杆匀速转动且人型杆通过第一压扁轮部件(14)和第二压扁轮部件(15)完全压扁，经由导向轮逐渐缠绕卷进；

(3)设置各部件连接关系：

第一压扁轮部件(14)和第二压扁轮部件(15)与Y轴平行，考虑到人型杆自身存在的厚度以及防止压扁时产生应力集中，第一压扁轮部件(14)和第二压扁轮部件(15)之间在X方向相距1.9mm；人型杆部件一(12)与人型杆部件二(13)通过粘接段紧密连接在一起，直杆部分在两压扁轮之间；滚筒的位置与人型杆完全压扁后的起始端相切，且位于X轴正方向；导向轮圆心位置是以滚筒圆心沿Z轴负方向偏移5mm处；

①在压扁分析步中，人型杆弯曲部分上、下内表面建立接触，力学约束公式是罚接触方法，采用有限滑移的方法进行运动并一直作用于固定和缠绕分析步；

②在端部压紧分析步中，离滚筒较近的人型杆外侧与滚筒外侧建立接触并一直作用于缠绕分析步中；

③在缠绕分析步中，人型杆上、下两侧的外表面分别与第一压扁轮部件(14)、第二压扁轮部件(15)的外表面接触，采用运动接触方法进行分析；

④滚筒、导向轮、第一压扁轮部件(14)和第二压扁轮部件(15)均采用刚体约束，定义刚体参考点时均选择质心，质心位置在部件模块中通过查询功能得到部件体积、形心坐标和惯性矩结果；刚体表面的运动完全取决于控制点的运动，滚筒、导向轮、压扁轮作为接触面的主面；人型杆上、下部两端水平段分别与粘接段采用绑定约束，让两个面连接在一起不再分开，用来模拟上、下人型杆之间粘接胶粘合作用，在分析过程中不需再考虑从面节点自由度，也不需判断从面节点的接触状态，会大大缩短计算时间；

⑤为了实现人型杆水平段与参考点的运动耦合关系，采用运动耦合约束建立人型杆一端水平段和参考点自由度耦合，此参考点作为与杆的连接点；

(4)边界条件：

根据实际工况并结合单侧人型杆缠绕过程有限元仿真的特点合理选择约束施加方案；

①在压扁和端部压紧分析步中，滚筒完全固定，防止在仿真过程中部件因缺少约束而发生随机偏移；在缠绕分析步中，释放滚筒在X方向的转角自由度，沿X方向转角大小设置为5.88rad，滚筒带动一端固定在其上的完全压扁的人型杆进行缠绕；

②在缠绕过程中，因为人型杆通过滚筒的旋转逐渐缠绕会在Z方向产生位移，所以释放人型杆沿Z方向位移自由度，其他方向自由度仍设置为初始状态；

③在压扁和端部压紧分析步中，将人型杆直杆边缘部分的两条线完全固定，在缠绕分析步中，释放Y轴和Z轴位移自由度以及X轴转角自由度；

④在整个缠绕过程中，导向轮、第一压扁轮部件(14)和第二压扁轮部件(15)的自由度均设置为初始状态；

(5)施加载荷：

以实际工作载荷为基础,确定单侧人型杆缠绕过程壳单元的载荷施加方法；

①在压扁分析步中，给人型杆两侧弯曲部分壳的边单元施加沿Y轴负方向大小为800N/m的线载荷且一直作用于缠绕过程，模拟人型杆前端通过第一压扁轮部件(14)和第二压扁轮部件(15)形成的完全压扁状态；

②在压扁分析步中，给人型杆两侧壳单元施加粘性分布、大小为Pv的载荷且一直作用于缠绕过程，

式中Cv是粘性常数，V是人形杆施加粘性压力部分的速度，n是垂直于施加载荷表面向外的单位向量；

③在压扁分析步中，分别给人型杆弯曲部分的首尾两端边单元施加沿Z轴正、负方向大小均为20N/m的载荷且一直作用于缠绕过程，保证人型杆在缠绕过程中始终处于拉直伸长状态，模拟人型杆实际工作情况；

④在端部压紧分析步中，分别给人型杆部件一(12)、人型杆部件二(13)的壳单元施加分布一致，大小为0.1MPa的载荷，模拟人型杆通过第一压扁轮部件(14)和第二压扁轮部件(15)的压扁过程；

(6)简化模型，进行有限元仿真；

(7)结果评定及修改：

结合缠绕力学以及应力理论，对有限元仿真计算的结果进行有效性评价及误差分析，若结果不收敛或缠绕中发生凸起，则重新调整分析步、部件连接关系、边界条件和载荷，直至结果满足理论要求且符合实际工况。

2.根据权利要求1所述的一种单侧人型杆缠绕过程有限元仿真分析方法，其特征在于：人型杆缠绕过程中上、下杆的外表面与滚筒外表面的接触由点、线逐渐扩展为面，杆上、下内表面之间由两边向中间逐渐扩展接触。

3.根据权利要求1所述的一种单侧人型杆缠绕过程有限元仿真分析方法，其特征在于：采用第一压扁轮部件(14)和第二压扁轮部件(15)进行压扁。

4.根据权利要求1所述的一种单侧人型杆缠绕过程有限元仿真分析方法，其特征在于：采用S4R单元建立了人型杆复合材料缠绕有限元模型。