有效载荷舱门锁紧机构及铰链设计与布局优化分析

摘要

在航天技术和空间探索不断发展的基础上，空间飞行器已成为世界各国研究的重点。本文主要针对空间飞行器的任务要求，对有效载荷舱门的锁紧机构及铰链进行设计研究和布局优化分析。
　　通过分析国内外舱门研究现状，结合有效载荷舱门重复锁紧机构的设计指标要求，对比了三种锁紧方案，提出了一种锁钩-锁栓的重复锁紧机构。并对该机构传动锁紧方式进行研究，完成了主动端和被动端的初步设计。
　　分析该机构动力学仿真工作流程，建立锁紧机构的三维模型，完成了整个机构的虚拟样机模型和仿真分析过程，获得了锁钩接触处受力曲线、锁紧点位置变化曲线等。通过对整个锁紧过程的动力学仿真结果进行研究，验证是否满足指标要求。依据动力学分析结果以及锁紧机构其它力学要求对其进行有限元分析，考虑对整个机构的轻量化，对锁钩、主动锁壳、被动锁壳进行拓扑优化，最终完成了满足整个指标要求的锁紧机构设计。
　　舱门铰链作为连接机体与舱门的重要结构，本文在保持舱门相对机体位置的基础上，初步完成了舱门铰链的原始构型设计。与此同时，建立含铰链的有效载荷舱门展收机构虚拟样机模型，分析其动力学性能和力学性能，并获取舱门展收过程中铰链的受力曲线，为有限元分析提供依据。根据动力学分析结果，对铰链进行结构力学分析，以验证是否满足设计指标要求。在此基础上对铰链进行拓扑优化，并完成详细的铰链结构设计。最后提出一种用于舱门测试铰链受力的试验方案，以验证铰链的力学可靠性。
　　结合上述锁紧机构和铰链的设计结果，分别进行整体结构刚度分析，采用等效刚度法，将其替换为基本几何构型，以方便进行锁紧点与铰链设计点在有效载荷舱门上的多点联动布局优化分析。建立参数化的有限元仿真分析模型，以舱门在某工况下的变形为优化目标，优化锁紧点与铰链设计点的数量与位置分布。从而获取二者在满足设计工况与指标要求的最优布局方式。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及目的意义

1．1．1 课题来源

1．1．2 课题研究背景及目的意义

1．2 相关问题的国内外研究现状

1．2．1 飞行器的舱门研究现状

1．2．2 飞行器的锁紧机构研究现状

1．2．3 飞行器多体动力学应用研究现状

1．3 主要研究内容及技术路线

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 技术路线

第2章 锁紧机构的研究和设计

2．1．2 锁紧机构指标要求

2．2 锁紧机构的研究方案

2．2．2 锥-孔连接锁紧方案

2．2．3 锁钩-锁轴配合连接锁紧方案

2．3 锁紧机构结构设计

2．3．1 各个功能模块结构设计

2．3．2 被动端设计

2．3．3 主动端设计

2．3．4 锁紧机构工作原理

2．4 本章小结

第3章 舱门锁紧机构的分析和优化

3．1 锁紧机构动力学分析

3．1．1 动力学方程建立

3．1．2 锁紧机构动力学流程分析

3．1．3 锁紧机构动力学建模和参数设置

3．1．4 锁紧机构动力学仿真结果分析

3．2 锁紧机构的有限元分析及优化

3．2．1 锁紧机构强度分析方法

3．2．2 拉伸载荷下的关键零部件强度分析

3．2．3 锁紧机构零件拓扑优化

3．3 本章小结

第4章 舱门铰链的设计分析与优化

4．1 铰链的建模与动力学分析

4．1．1 铰链的结构设计

4．1．2 舱门铰链系统虚拟样机模型

4．1．3 舱门铰链系统的运动分析

4．1．4 舱门铰链系统的运动仿真

4．2 铰链的有限元分析和优化

4．2．1 舱门与上铰链接触处分析

4．2．2 铰链整体和各零件强度分析

4．2．3 上下铰链的拓扑优化

4．3 舱门铰链的试验测力方案

4．3．1 舱门铰链测量装置总体设计方案

4．3．2 铰链力测量方法

4．4 本章小结

第5章 舱门锁紧点和铰链点位置布局设计

5．1 等效刚度分析

5．1．1 等效简化分析

5．1．2 等效刚度法

5．2 建立锁与铰链的等效刚度

5．2．1 锁紧机构的等效刚度

5．2．2 铰链的等效刚度

5．3 铰链与锁在舱门中数量和位置布局

5．3．1 一锁一铰链布局

5．3．2 两锁两铰链布局

5．3．3 两锁三铰链布局

5．4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间的研究成果

致谢