控制力矩陀螺的框架结构工程分析.pdf

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1、机械设计与制造第2期134MachineryDesign&Manufacture2013年2月控制力矩陀螺的框架结构工程分析郎跃东，陈浩，高强，丁祝顺(北京航天控制仪器研究所，北京100854)摘要：以控制力矩陀螺的框架结构为研究对象，利用ANSYS有限元软件分析其结构刚度和振动模态等力学特性，得到其在大载荷作用下的应力、应变分布情况和多阶模态，并依据分析结果对框架结构进行了优化设计，以满足整个控制力矩陀螺系统的结构刚度和控制精度要求。有限元分析的结果表明通过优化设计可以使框架的结构刚度显著提高，同时使其动态特性也得到了有效改善，从而验证了在结构设计中进行工

2、程分析的必要性和合理性，为相关的框架系统设计提供理论依据。关键词：力矩陀螺；工程分析；结构刚度；振动模态中图分类号：THI6；V241．4文献标识码：A文章编号：1001—3997(2013)02—0134—03StructuralEngineeringAnalysisofaControlMomentGyroscopeFrameworkLANGYue-dong，CHENHao，GAOQiang，DINGZhu—shun(BeijingAerospaceControlInstrumentResearchInstitute，Beijing100854，China

3、)Abstract：TheJkameworkstructureofacontrolmomentgyroscope(CMG)systemWO$regarded08aresearchobject，attdmechanicalcharacteristicssuchClSstiffnessandvibrationmodeanalyzedbyANSYSfiniteelementmethodsoftware．sothatitsstressandstraindistributionswellmultistagemodeunderalargeloadwereobtained

4、,Accordingtotheanalysisresuhs，itsstructuraloptimizationdesign∞implementedtomeettherequirementsofstructuralstifnessandcontrolprecisioninthewholesystem．Theresultsoffiniteelementanalysisshowthatitsstructurestrengthcanbeenhancedobviouslybyoptimizationdesignandsynchronouslydynamiccharac

5、teristicsarealsoefectively"improved．SOitverifiesthatengineeringanalysisisnecessaryandreasonablyinstructuraldesign．Therefore，itcanprovideatheoreticalbasisforrelatedsystemdesign．KeyWords：CMG；EngineeringAnalysis；StructuralStifness；VibrationMode1引言结构进行了静力学与模态分析，从而为其结构的优化设计提供理论依据。控制力矩陀螺

6、是空间站等长期运行的大型航天器实现姿态精确控制的关键执行机构l1l。它具有输出力矩大、动态响应快、控制线性度好、效率高等特点，因此在航天领域得到广泛的应用。控制力矩陀螺由高转速的动量飞轮、支承飞轮的陀螺房、高速驱动电机、框架(包括伺服驱动系统)等组成。它的框架用于支承陀螺房，并驱动陀螺房转动，通过陀螺房转动迫使动量飞轮的角动量改变方向，从而输出较大的控制力矩，实现对航天器姿态的调节。其_T作原理示意图，如图1所示。其中，陀螺G用于敏感陀螺房的角速度，其信号经过转换、放大和校正后反馈给垂直轴上的力矩电机，使电机输出控制力矩，驱动陀螺房发生转方位环动，则垂直轴上

7、的旋转变压器可检测相对转角，从而实现系统罔1CMG工作原理示意图Fig．1CMGSchematicDiagram的闭环控制。由于受到航天器承载重量与安装空间的限制，要求控制力2控制力矩陀螺框架基本结构矩陀螺的框架重量轻、结构紧凑，并具备较高的负载能力；同时为控制力矩陀螺框架系统为单轴驱动方式，其三维结构，如图提高系统的稳定精度，还应有较高的刚度和谐振频率，以满足系2所示。系统的基本结构包括框架、电机组件、旋变组件和控制箱统的带宽要求。因此，在设计过程中有必要对其刚度和模态特性5部分。其中框架设计成上支架和下基座两部分，以便于陀螺房进行工程分析和校验。采用有限

8、元分析法对控制力矩陀螺的框架安装到框架基座上。来稿日