CN109466809B

CN109466809B - 一种可配置可组装的挠性模拟器

Info

Publication number: CN109466809B
Application number: CN201811436272.0A
Authority: CN
Inventors: 武云丽; 曾海波; 翟华; 黄铁球; 林波; 沈莎莎; 孙旻昊
Original assignee: Beijing Institute of Control Engineering
Current assignee: Beijing Institute of Control Engineering
Priority date: 2018-11-28
Filing date: 2018-11-28
Publication date: 2021-04-13
Anticipated expiration: 2038-11-28
Also published as: CN109466809A

Abstract

本发明一种可配置可组装的挠性模拟器，包括变刚度主结构单元、气浮辅助支撑装置、质量承载装置和可配置质量单元；变刚度主结构单元链接组装体，在组装体末端放置质量承载装置，将可配置质量单元放置在承载装置上，形成主结构，用于对质量大小进行调整；气浮辅助支撑装置用来对主结构进行辅助支撑，使之运行在光滑水平的平台上。该设备是可重复利用的，还可根据挠性体的复杂程度进一步扩展组装结构单元，目前，QS‑3、TT‑1、高轨SAR等卫星的物理仿真试验均使用了该套模拟器。

Description

一种可配置可组装的挠性模拟器

技术领域

本发明涉及一种可配置可组装的挠性模拟器，属于航天器物理仿真试验领域。

背景技术

QX-3卫星携带15.6m大型柔性天线，是国内首颗载有此类超大柔性网状载荷的卫星，该星姿轨控技术的主要任务是克服大型挠性附件带来的突出影响，且与之构型相近的TT-1卫星大挠性网状天线对指向精度也有较高要求。而此前，我国尚未有此类构型的在轨飞行卫星，为了获得关键数据，亟需开展相关的物理仿真试验。其中，关键部件则为超大柔性网状天线。一方面天线实物是不允许用来进行控制系统的物理仿真试验，另一方面，控制系统重点关注的是天线质量特性、频率特性、模态特征等。因此，我们需要设计此类大型挠性设备的模拟器。

传统的试验方法是针对每个产品所涉及的挠性附件进行相应挠性附件模拟器的设计，该方法虽然挠性附件模拟器的力学性能与实物吻合度较好，但是每种挠性附件均需要设计其对应的挠性附件模拟器，挠性附件模拟器之间缺乏通用性，这毫无疑问将给每个试验带来难以降低的试验成本。

由于后续卫星随着载荷的能力增强，星体结构也越加复杂，物理仿真试验是不可或缺的地面验证手段，其对挠性附件的模拟需求也会相应增加，因此，为了避免浪费降低成本，开发这种通用性可配置可组装的模拟器是非常必要的。

发明内容

本发明解决的技术问题是：为了克服现有物理仿真试验中模拟器的低重复利用导致的资源浪费问题，提供一种可配置可组装的挠性模拟器，提高了仿真模拟器的使用效率。

本发明的技术方案是：一种可配置可组装的挠性模拟器，包括变刚度主结构单元、气浮辅助支撑装置、质量承载装置和可配置质量单元；变刚度主结构单元链接组装体，在组装体末端放置质量承载装置，将可配置质量单元放置在承载装置上，形成主结构，用于对质量大小进行调整；气浮辅助支撑装置用来对主结构进行辅助支撑，使之运行在光滑水平的平台上。

所述变刚度主结构单元由3n段不同截面抗弯刚度的粱组合而成，n为正整数。

所述变刚度主结构单元的根部段抗弯刚度大，末端段抗弯刚度小，按截面抗弯刚度从大到小顺序依次连接。

摆动振动时质量承载装置在主结构单元上的安装位置不同，获得不同的抗弯刚度。可配置质量单元通过质量的调整和安装位置的调整，可实现转动惯量较大范围的调整。

在主结构的转动惯量不超过总转动惯量的20％。

所述主结构的振动频率f为：

f＝2πω

其中，

y₁为末端加单位集中载荷后的第一段阶梯结构末端变形，y₂为末端加单位集中载荷后的第二段阶梯结构末端变形，y₃为末端加单位集中载荷后的第三段阶梯结构末端变形；k为组装体的梁刚度，l₁,l₂,l₃分别为三段梁的长度。J为系统转动惯量，J＝ml²，m为主结构末端可配置质量单元的质量，l＝l₁+l₂+l₃，E分别为第一段、第二段和第三段阶梯结构的材料杨氏模量，I₁，I₂，I₃分别为第一段、第二段和第三段阶梯结构的截面惯性矩。

所述梁的材料选取所述梁的材料选取高强度铝合金杆，截面形状为等壁厚椭圆管，分为三段结构：

第一段：长度6000mm，高强度铝合金杆；

第二段：长度4000mm，外径20mm，壁厚1.5mm，高强度铝合金杆；

第三段：长度2000mm，外径5.75mm，实心铝合金杆。

所述梁的材料选取高强度铝合金杆，截面形状为等壁厚椭圆管，分为三段结构：

第一段：长度3500mm，高强度铝合金杆；

第二段：长度3500mm，外径14.7mm，壁厚1.5mm，高强度铝合金杆；

第三段：长度1000mm，外径4.25mm，高强度铝合金杆或外径3.23mm实心高碳弹簧钢。

本发明与现有技术相比的优点在于：可配置可组装的大型挠性模拟器的设计方法，首先根据当前和后续航天器主要涉及的挠性附件进行统计分析，给出挠性附件的尺寸、质量、转动惯量、低阶频率等的技术指标范围；针对该技术指标范围，对技术指标范围进行分类，按类别进行通用的可拆装、可高度自由组合的挠性附件模拟器设计，即该模拟器可以根据不同挠性结构附件的挠性特性组装配置，作为控制系统地面全物理仿真的控制对象。解决了传统实验设备的只用一次问题，避免了资源浪费。通过Tx-1，QX-3和25米SAR卫星等物理仿真试验表明，通过将本专利提出的模拟器进行了配置组合，有效地模拟了卫星有效载荷的挠性特性，支持了上述卫星在地面上开展的全物理仿真试验工作。

附图说明

图1为典型可配置组装拆卸结构单元组成图；

图2为典型阶梯型主结构形式；

图3为转动惯量与频率技术要求关系图(横轴转动惯量，纵轴频率)；

图4为第一号主结构的椭圆截面尺寸；

图5为第二号主结构的椭圆截面尺寸。

具体实施方式

可配置可组装的大型挠性模拟器的设计方法，具体如下：

可配置可组装的大型挠性模拟器的技术要求如下：

集中质量限定条件300kg以内；

长度限定条件不大于15m；

转动惯量1000～10000kgm²；

频率0.02～1Hz。

试验要求的模拟器所对应的频率和转动惯量如图3所示。

对悬臂梁而言，在给定转动惯量条件下，频率调整的依据首先是质量及其位置的调整。频率、结构长度、转动惯量之间关系的计算方法如下。

如图所示单端固支挠性梁，末端受力时其末端变形公式为：

其中，F为末端受力，l为悬臂梁长，E为材料杨氏模量，I为截面惯性矩。末端点横向刚度为：

若末端质量远大于挠性梁质量，则忽略梁质量，系统的振动频率为：

其中系统转动惯量约等于：

J＝ml² (4)

带入频率计算公式，得到：

也就是说，当结构不变，转动惯量J被给定时，频率约与

成正比。这就是频率理论上的可调整范围。

考虑到等截面梁频率可调整范围较小，本发明采用阶梯型梁实现大范围的频率调整。

例如，设定设计要求：转动惯量10000kgm2，频率范围0.02～0.4Hz，对其进行结构设计，并且可以得到转动惯量为3333.3kgm2时的频率范围。下面给出设计思路。

考虑长度限制15m，质量限制300kg，由计算可知对于转动惯量10000kgm2的系统，其结构长度范围为5.85～14.4米之间，而对于转动惯量3333kgm2的系统长度约为3.3～10.0米之间。二者有重叠部分，其重叠区域为5.85～10米之间。这意味着，结构第一段到5.85米处，满足转动惯量10000kgm2，且频率范围最高值不低于其设定值0.4Hz，此时，当转动惯量降低3.33倍到3333kgm2时，频率升高

倍到0.73Hz。结构第二段到10米处，该段结构和第一段结构一起保证当转动惯量为3333kgm2时，频率不高于0.1Hz，此时当转动惯量升高至10000kgm2时，系统频率降低为0.055Hz。由于频率仍未降低到0.02Hz，结构需再增加第三段，调整第三段的长度和弯曲刚度，使得系统在10米到14米之间时，当转动惯量为10000kgm2时，频率降至0.02Hz。见图2。

三段频率计算公式如下：

末端加单位集中载荷后的末端变形由三部分分别贡献如下：

其中，l₁,l₂,l₃分别为三段梁的长度，梁刚度为：

代入式(3)得圆频率为：

由圆频率计算振动频率：

f＝2πω (11)

依据此思路，可计算得到转动惯量从3333kgm2到10kgm2之间时频率需要调整到1Hz的主结构形式和尺寸。

4、扩展方法：

物理结构限制，结构单元的长度范围及末端质量块的重量范围都是有限的，因此典型主结构的频率和转动惯量的范围也被限制，即

其中，l_1min l_2min l_3min分别为三段梁的最小长度，l_1max l_2max l_3max分别为三段梁的最大长度。y_1max，y_2max，y_3max分别为末端加单位集中载荷后的第一段、第二段和第三段阶梯结构末端变形最大值，y_1min，y_2min，y_3min分别为末端加单位集中载荷后的第一段、第二段和第三段阶梯结构末端变形最小值。J_min为典型主结构的最小值，J_max为典型主结构的最大值。

为了实现更宽广的频率和转动惯量范围的调整，需要通过多个典型主结构的组合来扩大转动惯量和频率的使用范围。扩大转动惯量以质量单元和主结构长度为主要调整参数，扩大频率以主结构长度和刚度为主要调整参数。同时扩充频率和转动惯量范围，则以质量单元、主结构长度、主结构刚度为调整参数。

装置组成：

可配置组装拆卸结构单元的硬件产品(图1)由四部分组成，分别为变刚度主结构单元，连接法兰，可配置质量承载装置与气浮支撑装置(含气足)和可配置质量块。通过调整可配置承载装置上的质量块多少来和其在变刚度主结构单元上的安装位置，可以实现较大范围的频率/转动惯量双参数组合的变化要求。通过气浮装置实现重力卸载和低摩擦运动状态。

根据式(10)(11)计算，可获得多组满足设计条件要求的结果，选取一组具备良好加工性的5个主结构如下：

第一号主结构设计

1、设计参数

下面给出转动惯量3333.3～10000kgm²所对应的阶梯结构如下：

材料：高屈服强度铝合金和铝合金杆。

截面：等壁厚椭圆管、圆管、圆。

第一段：长度6000mm，椭圆管，截面见图

第二段：长度4000mm，外径20mm，壁厚1.5mm

第三段：长度2000mm，外径5.75mm实心铝合金杆。

第二号主结构设计

1、设计参数

转动惯量1000～3333.3kgm²

截面：椭圆管、圆管、圆。

材料：高强度铝合金。

第一段：长度3500mm，椭圆管，高强度铝合金，截面形状见图

第二段：长度3500mm，外径14.7mm，壁厚1.5mm，高强度铝合金

第三段：长度1000mm，外径4.25mm，高强度铝合金杆或外径3.23mm实心高碳弹簧钢。选定外径3.2mm实心高碳弹簧钢。

每个主结构分别承担一部分频率/转动惯量调整范围，集成到一起形成转动惯量在1000kgm²到10000kgm²的调整范围，同时，频率在0.02Hz到1Hz之间的调整范围。

每个主结构承担的频率/转动惯量调整范围如下：

表1各转动惯量下的频率范围

Claims

1.一种可配置可组装的挠性模拟器，其特征在于：包括变刚度主结构单元、气浮辅助支撑装置、质量承载装置和可配置质量单元；变刚度主结构单元为链接组装体，在组装体末端放置质量承载装置，将可配置质量单元放置在质量承载装置上，形成主结构，用于对质量大小进行调整；气浮辅助支撑装置用来对主结构进行辅助支撑，使之运行在光滑水平的平台上；

所述变刚度主结构单元由3段不同截面抗弯刚度的梁组合而成；

所述变刚度主结构单元的根部段抗弯刚度大，末端段抗弯刚度小，按截面抗弯刚度从大到小顺序依次连接；

摆动振动时质量承载装置在主结构单元上的安装位置不同，获得不同的抗弯刚度；可配置质量单元通过质量的调整和安装位置的调整，可实现转动惯量较大范围的调整；

所述主结构的振动频率f为：

f＝2πω

其中，

y₁为末端加单位集中载荷后的第一段梁末端变形，y₂为末端加单位集中载荷后的第二段梁末端变形，y₃为末端加单位集中载荷后的第三段梁末端变形；k为组装体的梁刚度，l₁,l₂,l₃分别为三段梁的长度；J为系统转动惯量，J＝ml²，m为主结构末端可配置质量单元的质量，l＝l₁+l₂+l₃，E₁、E₂、E₃分别为第一段、第二段和第三段梁的材料杨氏模量，I₁，I₂，I₃分别为第一段、第二段和第三段梁的截面惯性矩；

第一段：长度6000mm，高强度铝合金杆；

第二段：长度4000mm，外径20mm，壁厚1.5mm，高强度铝合金杆；

第三段：长度2000mm，外径5.75mm，实心铝合金杆。

2.根据权利要求1所述的一种可配置可组装的挠性模拟器，其特征在于：主结构的转动惯量不超过总转动惯量的20％。