包带连接建模与非线性动力学特性分析

包带连接建模与非线性动力学特性分析

振 动 与 冲 击

第29卷第5期

JOURNALOFVIBRATIONANDSHOCK

Vo.l29No.52010

包带连接建模与非线性动力学特性分析

白绍竣,尉 飞,郑钢铁

1

1

2

(1.哈尔滨工业大学,哈尔滨 150001;2.清华大学,北京100084)

摘 要:在航天工程中,包带连接机构是应用最为广泛的星箭连接分离机构,其主要由两个半圆形钢带(包带)和

若干V形截面的卡块组成。为研究包带连接的力学特性,首先分析了包带连接中各个部件之间的接触力以及接触力之间的关系。然后通过将接触力等效为有限单元节点载荷的方法,把包带连接加入到整体结构的有限元模型当中。对于包含包带连接的结构,其动力学方程为非线性微分方程,方程的求解采用了Newmark直接积分法。最后,采用所提出的建模方法对一个标准接口的包带连接进行了计算,分析了包带连接的非线性动力学特性以及预紧力的影响。

关键词:包带连接;卫星;非线性动力学中图分类号:V414.1 文献标识码:A

包带连接机构(如图1(a),图1(b)所示)广泛应用于航天工程当中,用于实现卫星和火箭的连接和分离。包带连接机构主要由包带、卡块、预紧和解锁装置

组成。其工作原理是通过调节两端的预紧力螺栓来控制包带中的预紧力,从而控制卡块对上下连接环的夹紧力以实现连接。当飞行器到达目的地之后,爆炸螺栓起爆解锁实现星箭分离。包带连接的安全性和可靠

性对于发射任务的成败至关重要。

是,这种方法不能用于研究包带连接的非线性动力学特性。另外,也不能体现包带预紧力、包带刚度、卡块角度以及连接环刚度等参数对于连接性能的影响。

本文主要目的是解决包带连接的建模问题,并对其非线性动力学特性进行研究。首先分析了包带连接中各个部件之间的接触力以及接触力之间的关系,然后通过将接触力等效到连接环单元节点上的方法对包带连接进行建模。最后,以一个标准接口的包带连接为实例,分析了包带连接的动力学特性以及预紧力对动力学特性的影响。

1 包带连接建模

在有限元建模过程中,连接环通常采用梁单元进行建模,所以本文对于包带连接的建模分析也在梁单

图1 包带连接机构Fig.1Marmanclampbandsystem

元的基础上进行。为了分析上的方便进行如下假设:

上下连接环的截面形状和尺寸相同; 连接环截面的形心和扭转中心重合;!上下连接环有限单元的划分形式一致,即每个上连接环单元节点对应一个下连接环单元节点,且对应节点在径向平面内的坐标相同。每一对相对应的节点称为一个节点对。上下连接环单元的局部坐标系如图2

所示。

地面试验

[1,2]

表明包带连接对于整体结构的动力

学特性影响非常大。另外,包带连接工作在动力学环境恶劣的发射段。所以,亟需对包带连接的动力学特性进行研究。但是,包带连接涉及多个部件之间的相互接触,具有较强的非线性,力学行为复杂。甚至

[3]

NASA也承认目前对包带连接的力学行为缺乏必要的认识。文献中对于包带连接的研究比较少。RobertDiTolla,etal采用轴对称有限元方法对包带连接的承载能力进行了研究。K.Shogh,ietal研究了V形截面连接箍装置的预紧力与应力之间的关系,对于包带连接的研究具有一定的借鉴意义。在实际工程当中,进行有限元计算时通常将包带连接简化为一组短梁

[2]

[5]

[4]

图2 单元局部坐标系Fig.2Localcoordinatesystem

,然后再根据试验结果确定短梁的具体参数。但

对于一个包含包带连接的结构,其有限元模型的

2009-06-23 修改稿收到日期:2009-07-20

收稿日期:

第一作者白绍竣男,博士生,1982年生

动力学方程可以表示为:

包带连接建模与非线性动力学特性分析

6振动与冲击 2010年第29卷

mnnmin

m

nim

unuPnPi

++

cnncin

cnic

unui

+

knnkin

knikunui

=(1)

限元模型中,连接环的变形及两连接环之间的相对位移体现为上下连接环节点的位移。为了分析方便,这里引入包带节点的概念,每个包带节点对应一个节点对,且假设包带节点的初始位置和位移与其对应的节点对的初始位置和位移分别具有式(4)和(5)所示的关系(参见图4)。

12=

00

020

002xb0b0+yb0

H

yb0b0+yb0

ubvb=w200

020

0012xb0xb0+yb0

yb0xb0+yb0

式中:{xb0 yb0 zb0}为包带节点的初始位置;{xr0 yr0 zr0 x%r0 y%r0 z%r0}为所对应节点对的初始位置;H为包带节点到连接环截面形心之间的距离(参见T

图4)。{ub vb wb}为包带节点的位移;{u v w

T

T

Fc(ui)+FN(ui)

式中:m,c,k分别表示结构的质量,阻尼和刚度矩阵;u,u,u分别为节点自由度位移向量,速度向量和加速度向量;P为外载荷向量;Fc为两连接环之间接触力的等效节点载荷向量;FN为卡块与连接环之间接触力的等效节点载荷向量;下标i,n分别表示连接界面自由度和非连接界面自由度。

1 1 预紧力分析

预紧力是影响包带连接性能的一个重要因素。研究包带连接首先需要对包带预紧力进行分析。在进行

[3]

包带连接设计时,通常将卡块沿圆周均匀布置,卡块之间的间隙角度 相对于卡块的弧角 来说比较小,并且通常采取降低接触面的粗糙度和加润滑剂等措施以减小摩擦力。这样可以有效降低包带与卡块之间的作用力fb和卡块与连接环之间的作用力fN的不均匀程度。所以在分析中忽略了摩擦力并假设fb和fN在接触区域内是均匀分布的,包带的受力分析如图3(a)所示。根据力的平衡方程有:

n/2 %iTb=fbRbsin d (2)

2#

i=1 i

式中:Tb为包带内力

;Rb为包带的半径;n为卡块的数

xb0yb0zb1200

xr0

020

00yr0zr0x%r0y%r0z%r+

(4)

200

020

001uvwuvw+

量,一般为偶数个。卡块截面的受力分析如图3(b)所示,根据力的平衡方程有:fb=2fNsin!

式中!为卡块斜面的角度。

(3)

(5)

图3 包带及卡块受力分析

Fig.3LoadinganalysisofstrapandV section

u% v% w%}为所对应节点对的位移; H为包带节点到连接环截面形心之间距离的变化(参见图4)。 H主

要由上下连接环轴向相对位移w%-w与卡块的开口变形 V两部分引起,关系如式(6)所示。

H=w%-w- ctg!

2其中: V与卡块的开口变形刚度KV和接触力fN有关,可由式(7)所表示(参见图5),其中忽略了卡块的径向变形以及fN作

用位置变化的影响。

fN

V=

V

图5 卡块截面变形分析

T

1 2 卡块与连接环之间接触力分析 根据1.1节中的分析可以看出卡块与连接环之间的作用力fb主要由包带内力Tb所决定。包带内力主要取决于包带周长的

变化量,而包带周长又图4 连接环位移与包带位移的关系

Fig.4Relationshipbetweenthe取决于预紧力,连接环的变形及两连接环之

displacementsofinterface

ringsanddisplacementsofstrap

(6)

(7)Fig.5DeformationofV section

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