腿式着陆缓冲装置吸能特性及软着陆过程动力学仿真研究

摘要

随着航天技术的飞速发展,人类对宇宙的探索不断深入,在国际新一轮空间探索中,世界上多个国家对星球着陆探测技术进行了深入地研究。在星球着陆探测中,着陆器缓冲装置是星球软着陆成功与否的关键,虽然美国和前苏联已经成功的对月球和火星进行了多次探测,但我国在星球探测软着陆缓冲研究方面起步较晚,有很多关键性技术亟待突破。本研究在国家自然科学基金项目“着陆探测器新型缓冲结构智能设计方法及着陆稳定性分析”支持下,开展腿式着陆器缓冲装置吸能特性及其相关关键技术的研究,为我国星球探测着陆器缓冲装置的研制提供理论基础与技术支撑,具有重要的科技和政治意义。
　　腿式着陆器缓冲装置多采用蜂窝结构,为了研究蜂窝结构的缓冲性能需要分析其准静态压缩异面力学特性。本文首先以典型的六边形蜂窝结构为研究对象,针对蜂窝结构的对称性,对Y型蜂窝胞元进行力学建模,采用屈雷斯佳屈服准则和米塞斯屈服准则,建立基于简化超折叠单元的六边形蜂窝结构平均应力理论模型;基于弹性力学理论,建立准静态载荷作用下六边形蜂窝结构异面峰值应力理论模型。通过对9种不同规格铝蜂窝试件进行压缩实验研究,验证所建立的准静态压缩条件下,六边形蜂窝结构异面平均应力和峰值应力理论模型的准确性,为后续研究冲击条件下蜂窝结构吸能特性,及腿式着陆器用蜂窝结构缓冲装置的设计奠定基础。
　　针对缓冲装置通常受冲击载荷作用,基于薄板弯曲理论建立冲击载荷作用下,六边形蜂窝结构动态平均应力理论模型,在此基础上建立冲击载荷作用下,六边形蜂窝结构质量比吸能和体积比吸能的数学模型,分析冲击速度及结构参数对动态吸能特性的影响。通过有限元仿真,验证理论分析模型的正确性。使用冲击实验机对9种不同规格正六边形铝蜂窝的动态吸能特性进行实验研究,以验证理论模型和有限元模型的正确性。分析冲击载荷作用下蜂窝孔腔内气体对蜂窝结构动态平均应力的影响,并进行实验验证。
　　建立冲击载荷作用下不同拓扑蜂窝结构的有限元分析模型,开发正方形等5种拓扑蜂窝结构的参数化建模分析程序。基于响应面方法,建立不同拓扑蜂窝结构峰值应力、质量比吸能和体积比吸能的数学模型。分析蜂窝相对密度对动态吸能特性的影响。分析相同峰值应力条件下,5种不同拓扑蜂窝结构比吸能特性。研究结果不仅可以为腿式着陆器蜂窝结构缓冲装置的优化设计提供技术支持,同时对解决缓冲装置小型化、轻量化设计问题具有重要意义。
　　针对着陆器缓冲装置小型化与轻量化设计目标,考虑着陆器缓冲装置设计成本与设计效率,提出腿式着陆器缓冲装置设计流程和设计要求,以四腿悬臂式着陆器为研究对象,对着陆器用二级串联蜂窝结构缓冲装置进行优化设计,开发腿式着陆器蜂窝结构缓冲装置优化设计程序,进行基于比吸能最大的缓冲装置优化设计,得到吸能特性最佳的蜂窝结构缓冲装置。建立腿式着陆器二级串联蜂窝结构缓冲装置缓冲性能分析有限元模型,通过实验研究验证有限元模型的准确性。建立着陆器软着陆过程动力学仿真模型,针对腿式着陆器典型着陆模式进行软着陆仿真以验证缓冲装置缓冲效果,为腿式着陆器缓冲装置的方案设计提供理论依据和技术指导。

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第1章 绪 论

1.1引言

1.2 课题研究背景

1.3 国内外星球探测着陆器及缓冲装置研究现状

1.4 当前研究存在的主要问题

1.5 本文主要研究内容

第2章 六边形蜂窝结构准静态异面力学模型的建立

2.1 引言

2.2 蜂窝结构异面力学特性

2.3准静态载荷作用下平均应力模型的建立

2.4准静态载荷作用下的峰值应力模型的建立

2.5准静态压缩实验研究

2.6 本章小结

第3章 冲击载荷作用下六边形蜂窝结构动态吸能特性研究

3.1 引言

3.2吸能特性模型的建立

3.3结构参数对吸能特性影响分析

3.4动态吸能特性仿真研究

3.5冲击实验研究

3.6计及空气影响的六边形蜂窝结构动态平均应力理论模型

3.7 本章小结

第4章 不同拓扑蜂窝结构吸能特性模型建立及分析

4.1引言

4.2 不同拓扑蜂窝结构吸能特性模型的建立

4.3不同拓扑蜂窝结构吸能特性分析

4.4 本章小结

第5章 腿式着陆器缓冲装置的优化设计及软着陆动力学仿真

5.1 引言

5.2 着陆器缓冲装置设计流程

5.3腿式着陆器缓冲装置功能分析及设计条件

5.4腿式着陆器缓冲装置优化设计

5.5二级缓冲结构冲击仿真与实验研究

5.6腿式着陆器软着陆过程动力学仿真

5.7 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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