[发明专利]一种空间采样回转机构的扭矩有限元仿真方法

说明书

本发明涉及一种空间采样回转机构的扭矩有限元仿真方法，建立采样器的初始模型，并将初始模型导入HYPERMESH进行网格划分，并设置刚性构件和柔性构件；在LSDYNA中，根据DEM离散元方法建立土壤模型；在采样器初始模型的基轴转轴质心位置建立刚性转轴，使刚性转轴与基轴同轴线；在LSDYNA中，采用同轴线的弹簧阻尼单元连接刚性转轴与基轴，设置弹簧阻尼单元的弹簧属性和扭转属性，设置工况参数，计算得出仿真结果。本发明可实现对对称回转机构采样的优化设计,针对微重力环境中空间采样机构进行过程仿真，提高了机械的可靠性，确保了任务的完成,给空间采样机构的设计提供了重要参考。

技术领域

本发明涉及深空探测仿真分析技术领域，具体地说是一种空间采样回转机构的扭矩有限元仿真方法。

背景技术

深空探测是研究行星演化和形成规律的重要手段。为了了解太阳系的起源与演变过程，小行星的样本是蕴藏这些信息的重要载体。小行星是46亿年前太阳系初期形成的行星体，内部蕴含了大量太阳系早期形成和演化的信息，同时小行星含有丰富的贵金属及稀有元素，具有巨大的利用价值。

行星表面基本都是微重力环境，在小行星表面实行长期采样无法实现，采样过程所产生的反作用力可能会将采样机器推离小行星，这一特征使得合理的设计，优化机械结构是任务成功的必要保证。另外，小行星距地球遥远，且目前的技术水平限制了探测器所带燃料的质量，所以取样系统还应轻型化和小型化。

空间中的机械器件能否正常运行是空间任务成功的关键所在。由于将器件带上空间的成本巨大，而且对其重量的控制也相对严格，所以在设计时，合理的型号选择显得十分重要。电机是机器的重要动力来源，电机型号的选择对于空间探测任务至关重要。由于无重力的太空实验环境难以在地球模拟，空间中的运动预测主要通过运动仿真的方法进行验证。现阶段的扭矩仿真多为线性动力学方法，求解过程简化，对于结果的精度有所影响。扭矩的非线性动力学仿真方法能够提供更可靠设计建议。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种空间采样回转机构的扭矩有限元仿真方法，用于预测在微重力的太空环境中回转机构的扭矩，作为空间装备设计的重要设计指标与优化目标。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种空间采样回转机构的扭矩有限元仿真方法，

步骤1：建立采样器的初始模型，并将初始模型导入HYPERMESH进行网格划分，并设置刚性构件和柔性构件；

步骤2:在LSDYNA中，根据DEM离散元方法建立土壤模型；

步骤3:在采样器初始模型的基轴转轴质心位置建立刚性转轴，使刚性转轴与基轴同轴线；

步骤4:在LSDYNA中，采用同轴线的弹簧阻尼单元连接刚性转轴与基轴，设置弹簧阻尼单元的弹簧属性和扭转属性，设置工况参数，计算得出仿真结果。

所述采样器的初始模型为对称回转机构，包括基轴和毛刷，基轴为两根，在基轴外表面上均布圆柱体毛刷，且两根基轴之间的毛刷交错排布。

所述土壤模型为根据月壤的材料参数建立，粒子大小范围为4～25mm。

所述刚性转轴采用壳单元建立，刚性转轴的直径小于基轴直径，位移与基轴同步，转速为预设采样转速。

所述刚性构件为基轴。

所述柔性构件为毛刷。

所述工况参数包括：下降速度，刚性转轴的转速，重力加速度，材料属性，厚度属性。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明提出了一种针对空间采样机构的非线性动力学扭矩仿真方法，给空间采样机构的设计提供了重要参考。