[发明专利]一种双弹性杆自动收拢结构的仿真分析方法

说明书

本发明公开了一种双弹性杆自动收拢结构的仿真分析方法，弹性杆是具有一定曲率的圆弧壳体结构，常作为大型航天器结构的主要支撑受力部件。弹性杆受外载荷作用下进行缠绕收拢过程；打开锁定装置后，弹性杆释放弯曲产生的应变能可逐渐回弹展开，原理简单，是得到广泛应用的空间可展机构。该方法采用ABAQUS有限元仿真软件，以弹性杆可展结构的实际空间位置进行装配，考虑结构各部分之间的相互作用和实际接触情况，施加载荷实现工作缠绕过程，在分析步中选择显示动力学算法进行求解。采用S4R壳单元建立了双弹性杆缠绕有限元模型并进行力学仿真分析。本发明可为缠绕弹性杆截面设计、系统工作样机设计提供参考。

技术领域

本发明涉及一种双弹性杆自动收拢结构的仿真分析方法，弹性杆是应用于航天领域的圆弧截面杆状结构。

背景技术

空间可展结构是一类用于解决结构本身尺寸需求与运载工具有效载荷舱容积限制而发展起来的复杂宇航结构，其特点在于结构空间体系的转化和形体尺寸大变化。当航天器工作阶段时处于展开状态，要自动返回或被回收时，则结构可先行折叠收拢，减小空间体积。

弹性杆伸展臂作为一类空间可展开结构，其具有结构简单、收纳率较高和可重复展开等特点。伸展臂作为支承受力结构性元件，应用于大型空间可展天线、太阳电池阵、空间平台等，可实现空间折叠和展开功能。弹性杆展开后稳定工作状态为圆弧截面，其收展过程：弹性杆受外载荷作用成为扁平状，在卷筒带动下弯曲缠绕收拢；打开卷筒锁定，弹性杆释放变形产生的应变能而逐渐回弹展开。现阶段空间可展结构向多功能、多任务、综合性方向发展，随之结构尺寸与质量也迅速增大，对其仿真分析显得格外重要。弹性杆缠绕过程数值仿真分析方法和缠绕过程力学性能的分析，可为缠绕弹性杆截面设计、系统样机设计提供参考。

发明内容

本发明的目的是：为了保证航天领域弹性杆空间可展结构工作的可靠性，在保证经济效益的同时，了解系统结构的整个工作运行，本发明设计了一种双弹性杆自动收拢结构的仿真分析方法。为了进一步设计弹性杆空间可展结构的整体结构，本发明采用ABAQUS仿真软件，以弹性杆在太空实际的工作情况为依据,仿真模拟了弹性杆缠绕的动态过程，得到的结果不仅具有较高的可信度,为实际工作带来重要的参考价值。

本发明采用的技术方案为:一种双弹性杆自动收拢结构的仿真分析方法，包括以下步骤：

一种双弹性杆自动收拢结构的仿真分析方法，双弹性杆受到驱动载荷作用的整个缠绕工作过程如下:第一弹性杆1和2的初始展开状态是圆弧状，通过中心卷筒压片9的压平，可以实现弹性杆连接到卷筒8之上；卷筒带动弹性杆向内转动缠绕，受到挡圈5对轴向位移的约束，依次通过外部导向轮6和外导槽3,双弹性杆实现交替缠绕。整个缠绕过程的仿真过程，包括以下步骤:

(1)几何模型简化：

整个双弹性杆缠绕的几何模型简化为以下部件：第一弹性杆1、第二弹性杆2、导槽3、挡圈5、外部导向轮6、卷筒8。

(2)分析步确定：

①拉扁：弹性杆前端划分出用于连接部分的截面，该区域施加对向的位移边界条件，使其完全成扁平状；

②缠绕：卷筒施加恒定的转动速度，弹性杆经过外部导槽和周向分布的导轮逐渐运动，实现匀速的缠绕过程。

(3)确定各部件相互作用：

第一弹性杆1和2通过卷筒压片实现与卷筒的连接，外部导槽和周向分布的导轮实现对弹性杆周向的限制，挡圈实现弹性杆轴向的约束。

在弹性杆拉扁和缠绕的过程中，模型的各部件相互之间都存在接触和摩擦的情况。接触属性的切向属性设置为罚约束，其根据实际的接触情况定义罚系数，法向属性设置为硬接触。不同的部件之间定义不同的面对面接触，采用有限滑移的方法作用于各分析步。