空间对接机构对接锁系同步性仿真研究_张华

第30卷第1期2009年1月

宇 航 学 报

Journal of Astronautics

Vol.30January

No.1

2009

空间对接机构对接锁系同步性仿真研究

张 华,肖余之,陈 萌,杜三虎

(上海宇航系统工程研究所,上海201108)

摘 要:对接锁系运动同步性指标是空间对接机构实现正常连接和分离的重要技术参数。对接锁系运动同步性仿真的难点在于柔性钢索在ADAMS 中的模化问题,通过数学关系以子程序的形式来模拟钢索的作用,以此来研究对接锁系的同步性问题。最后,依据仿真结果指出了影响对锁锁系的同步性问题的主要因素并给出了合理的仿真建议。

关键词:空间对接机构;对接锁;同步性;仿真;MSC.ADAMS

中图分类号:V526 文献标识码:A 文章编号:1000-1328(2009)01-0310-05DOI :10.3873 j.issn.1000-1328.2009.00.056

收稿日期:2008-01-31; 修回日期:2008-03-23

0 引言

空间对接机构是载人运输飞船与目标飞行器实现交互对接的关键机构[1-3]

,当飞船和目标飞行器

实现对接缓冲

[4-7]

之后,需要对接机构上的对接锁

系完成刚性连接并保证密封圈的有效密封。对接锁系[8]

运动同步性指标是对接机构实现正常连接和分离的重要技术参数,对接锁系由两套对接锁和将其连接起来的钢索组件组成,安装在对接机构对接框外侧,分为两组,两组锁相互独立,互为备份。运输飞船上的同一组对接锁中,由电机驱动的一副主动锁通过钢索组件以串联传动的方式带动其它五副从动锁,这六把锁通过钢索组成一个封闭的锁系来拉动目标飞行器上的被动锁钩并完成锁紧过程,以形成两个对接框内部的密封通道。

对接锁系运动同步性仿真的重点和难点在于柔性钢索在MSC.ADAMS

[9]

中的模化问题,通过对锁系

的三维建模、创建特殊的力学模型替代钢索柔性件来完成锁紧和解锁过程的动力学仿真。本文通过数学关系以子程序的形式来模拟钢索的作用,使对接锁相互之间传递力矩,以此来研究对接锁系运动的同步性问题。最后,本文依据研究结果给出了相应的仿真建议。1 问题描述

本文在进行对接锁系的拉紧锁定试验中发现,

同一组对接锁系在锁紧过程中时常会出现如图1的钢索松弛现象;这种现象发生的原因是由于同一组

锁系中的钢索传递力或力矩不均匀引起各个绳轮运动的不同步导致的,这种不同步引起的后果可能会使对接机构在分离过程中发生翻转;这是因为对接锁系的解锁与锁紧刚好相反,解锁过程中电机带动主动轮反向转动,在锁紧过程中提供主动力的钢索此时变为阻力,锁紧过程中导致阻力的钢索此时提供主动力;主动轮反向转动时首先必须转过一定角度来 吃掉 锁紧时松弛部分的钢索(如图2),然后才能带动其它绳轮转动,这样就可能会导致有些对接锁已经解锁有些锁还未完全解开,对接框面因此而在弹簧推杆、叠簧、内压及密封圈外力作用下出现不对称受力发生翻转,造成致命后果。该问题在前期试验调试过程中发现了许多规律,也解决了一部分问题,但是单从调试的情况来看,同步性指标是难以达到设计要求的,这其中的规律需要进一步深入的理论分析以找出影响锁系运动同步性的关键因素,本文仿真分析的目的也正是在于此。2 建模与仿真

2.1 输入条件

对接锁系的同步性研究分析基于MSC.ADAMS 多体动力学仿真软件,仿真的主要目的是为了在试验给定的输入条件下复现同步性超差的故障情况(即钢索的松弛现象),通过动力学分析,找出影响锁

图1 对接锁系锁紧后的钢索松弛现象

Fig.1 Relaxation of steel cable under locked s tatus

图2 对接锁紧过程中两段钢索起的不同作用

Fig.2 Different role between the active steel cable

and passive one

系运动同步性的主要因素以及提出消除或减小同步性超差的解决办法。

本文基于仿真要求采用了如下的输入条件:

(1)对接锁系及被动对接框的几何模型,实际仿真过程采用其中一套锁系即6把对接锁,其中包含模装零部件(对接锁及对接框)的材料及密度,见图3和图4;

(2)钢索组件的物性参数,主要是钢索的预紧力和刚度系数;

(3)机构内各弹簧的刚度特性及预紧力;

(4)锁紧力变化曲线见图5,提供碟簧和被动钩刚度系数和预紧力;

(5)各运动部件的摩擦系数。

2.2 建模与仿真

本文着重考擦了钢索的刚度系数,预紧力,钢索与滑轮之间的摩擦对锁系运动同步性的影响。由此,不同的刚度系数,预紧力和摩擦系数对应不同的输入条件,这些反应在本文编写的用户子程序VTO-SUB的输入参数中;VTOSUB子程序描述了钢索弹性伸缩变形引起的绳索张力使得绳轮在合力矩作用下的运动情况。为了分析出影响同步性的主要因素,

本文将钢索的刚度系数,预紧力和摩擦等分别独立考虑,然后比较这三种因素在不同的输入参数下锁系同步性的超差情况。

图3 对接锁仿真模型

Fig.3 Si mulation model of dockin g lock

图4 对接锁系标识

Fig.4 Flag of docking lock

本文在仿真过程中,取被动钩上碟簧的初始预紧力为F pre,碟簧的刚度系数为非线性变化(随压紧力而变化见图5),但依据碟簧力在一定压力范围内随位移曲线基本上呈线性,本文在MSC.ADAMS中将其假定为线性弹簧,力学性能按照试验获得的Spline曲线变化;主被动对接框上的四根弹簧推杆和密封圈被压紧时对外作用力分别为F t,F m,本文在MSC.ADAMS中将其等效到被动钩上的碟簧的预紧力之中。

图5 被动钩组件锁紧力变化曲线

Fig.5 The curve of pre-force of component

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第1期张 华等:空间对接机构对接锁系同步性仿真研究