柔性锥-杆式对接机构碰撞过程仿真研究.pdf

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1、上海航天第29卷2012年第3期AEROSPACESHANGHAI文章编号：1006—1630(2012)03—0049—05柔性锥一杆式对接机构碰撞过程仿真研究韩伟，黄奕勇，张翔，陈小前(国防科学技术大学航天与材料工程学院，长沙410073)摘要：以中小型航天器普遍采用的锥一杆式对接机构为研究对象，提出一种柔性对接锥作为缓冲系统的方案，用柔性锥变形吸收撞击能量作为缓冲。用有限元法对碰撞过程进行仿真，讨论了柔性对接锥作为缓冲系统的性能对对接过程的影响。仿真结果表明：与普通对接锥相比，柔性锥能减小碰撞力峰值50

2、多。关键词：空间对接；缓冲系统；柔性锥一杆；有限元法中图分类号：V526文献标志码：ACollisionSimulationAnalysisforFlexibleProbe-ConeDockingMechanismHANWei，HUANGYi—yong，ZHANGXiang，CHENXiao—qian(CollegeofAerospaceandMaterialEngineering，NationalUniversityofDefenseTechnology，Changsha410073，Hunan，China

3、)Abstract：Theprobe-conedockingmechanismadoptedinmiddleandsmallspacecraftwasstudiedinthispaper．Aprobe-conedockingmechanismwithflexibledockingconeasbuffersystemwaspresented．Thedeformationoftheflexibledockingconewasusedforabsorbingtheimpactenergyasbuffering．Th

4、eimpactprocesswassimulatedbythefiniteelementmethod．Theinfluenceoftheflexibledockingconeonthedockingprocesswasdiscussed．Thesimulationresultsshowedthattheflexibledockingconecouldgreatlyhelptoreducethemaximumimpactforcebymorethan50comparedtonormaldockingcone．K

5、eywords：Spacedocking；Buffersystem；Flexibleprobe—cone；Finiteelementmethod0引言目前用于空间对接的缓冲阻尼系统主要有机电混合式、并联式气一液和数控式3种l_3]。其中俄罗斯空间交会对接是指2个航天器在空间轨道上会合并在结构上连成一个整体的技术，它是实现航天研制的机电混合式缓冲阻尼系统应用最广，现在的器在轨装配、回收、补给、维修、航天员交换及营救等国际空间站多采用有该类缓冲阻尼系统的对接机在轨服务的先决条件口]。这类航天器对接基本属于构。这种

6、缓冲阻尼系统能控制捕获环6个自由度方硬对接。由于对接时撞击动能很大，不仅能引起航向的运动，但其质量较大，可运动部件多达上百个，天器姿态发生大的变化，而且在某些接触部位还会是一种典型的空间多环机构，动力学特性极其复杂。产生较大的撞击载荷和局部变形。载荷过大会造成并联式气一液缓冲阻尼系统设计较易，但质量大、密结构破坏，而变形太大将导致机构无法分离。因此，封困难，液体体积对温度敏感，缓冲性能不稳定。数对接接触撞击载荷大小直接关系对接机构的强度设控式缓冲阻尼系统有良好的应用前景，但目前技术计乃至对接的成败]。为确保对

7、接成功和航天器安尚未成熟，在国外还处于原理样机研究和试验阶段。全，需对撞击能量进行有效的缓冲和阻尼，这一功能此外，这3种缓冲阻尼系统的服务对象主要是大型常由缓冲阻尼系统承担。航天器，其体积、质量和功耗等均是中小型航天器所无法承受的。中小型航天器普遍采用的锥一杆式对接机构的收稿Et期：2011一O2—23；修回日期：2011-03—07优点是结构简单、体积质量小，省去了大量的缓冲机作者简介：韩伟(1984一)，男，硕士生，主要研究方向为飞行器总体设计与航天器交会对接技术。械元件；柔性锥在轴向冲击作用下，依靠自身

8、结构的上海航天AEROSPACESHANGHAI第29卷2012年第3期大变形吸收和耗散大量碰撞时产生的冲击动能，充对SHELL163单元采用速度较快的Belytschko—分发挥材料特性；经济性好，方案难度适当，可靠性Tsay算法，剪切因子取5／6，沿厚度方向选取5个积佳；更具灵活性、适应性。为此，本文提出一种利用分点。划分网格后的模型如图2所示。柔性锥的变形吸收撞击能量的缓冲系统方案，用表1尺寸