一种腿式着陆器着陆缓冲机构的建模方法

摘要

本发明涉及一种腿式着陆器着陆缓冲机构的建模方法，属于腿式星球着陆器技术领域。本发明方法首先建立缓冲着陆腿构形；然后建立铝蜂窝材料等效模型，应力应变关系等效转化成内外筒之间的载荷行程关系，采用连接单元模拟载荷行程关系；最后建立缓冲着陆腿的连接关系，其优点在于采用有限元建模，充分考虑了结构柔性对响应的影响；考虑了缓冲着陆腿柔性对着陆腿内外筒之间的相互作用；对铝蜂窝力学特性的简化建模，在保证准确度的前提下有效地提高了计算效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种腿式着陆器着陆缓冲机构的建模方法，属于腿式 星球着陆器技术领域。

背景技术

腿式着陆器通常使用一次性缓冲器，该缓冲器具有工作可靠性 高、结构简单、质量轻等诸多优势，广泛应用于星球探测领域。我国 开展的探月工程项目即使用腿式着陆器，腿式着陆器动力学仿真对着 陆器设计具有极大的指导意义；而腿式着陆器动力学仿真建模的一项 关键技术便是对缓冲着陆腿的合理建模。

传统的缓冲着陆腿建模基于多刚体动力学模型，模型比较简单， 计算效率高，但没能考虑结构的柔性，在进行着陆动力学分析时不能 准确反映柔性对结构响应的影响；另一类模型采用部件模态综合方 法，通过有限元分析软件生成着陆腿的模态中性文件，并导入多体动 力学软件中，建立柔性模型。但该建模方法由于引入浮动坐标系，在 数值计算中，大范围运动常常会吞噬掉柔性体的小变形运动，因而数 值精度比较差。还有一类模型，采用非线性有限元方法，使用可压溃 单元模拟缓冲器的动力特性，该方法全面考虑了结构的柔性，但计算 耗时巨大。

近年来，国外开发了诸多有限元分析软件，可以通过调用该类软 件实施本发明的方法。例如：ABAQUS是国际先进的大型通用有限元 计算分析软件，可以进行复杂的动力学分析计算。

发明内容

本发明的目的是为解决数值精度差等问题，提供一种腿式着陆器 着陆缓冲机构的建模方法，能够很好反应缓冲腿的力学特性，同时考 虑结构的柔性影响，计算耗时小、效率高。

一种腿式着陆器着陆缓冲机构的建模方法，具体步骤如下：

步骤一，建立缓冲着陆腿构形。

缓冲着陆腿由内筒、外筒以及铝蜂窝芯子构成，内外筒之间能相 对运动。内筒同轴安装于外筒内，内外筒沿轴向平行安装，安装后外 筒远离内筒的一端称为外筒上端，内筒位于外筒内的一端称为内筒上 端，铝蜂窝芯子填满于外筒上端面、外筒内壁以及内筒上端面形成的 中空部分。内外筒的几何特性参数包括：内筒的长度l_in、内筒的外半 径R_in、内筒壁厚度h_in、外筒的长度l_out、外筒的外半径R_out、外筒壁厚 度h_out以及内筒安装到外筒内后缓冲着陆腿的总长度l_w，为满足安装 要求其中R_out-h_out≥R_in，l_in+l_out≥l_w。

内外筒采用壳单元模拟，赋予内外筒各自的截面属性，并对内外 筒分别进行网格划分。截面属性包含壳单元的材料属性与壳单元的厚 度，材料属性为杨氏模量E与材料密度ρ，壳单元的厚度值即为内外 筒壁的厚度h_in和h_out。

步骤二，建立铝蜂窝材料等效模型。

铝蜂窝材料具有特殊的应力应变σ～ε关系，其中σ表示应力，ε表 示应变，应力应变关系由对铝蜂窝材料进行应力应变实验获得。应力 应变关系等效转化成内外筒之间的载荷行程关系为：当内外筒之间相 对运动距离s，内外筒之间会产生沿轴向方向阻碍其相对运动的载荷 力F。相对运动距离s＝l_wε，载荷力

本方法采用连接单元模拟上述载荷行程关系，连接单元建立过程 为：先在缓冲着陆腿两端部分别建立参考点RA、RB，RB点处于内筒 下端面圆心处（内筒位于外筒外的一端称为内筒下端），RA点处于外 筒上端面圆心处。在RB点建立随体坐标系，随体坐标系中只保留RA 点沿轴线方向的自由度。接着在RA、RB之间建立载荷行程关系。具 体设置为：连接单元的塑性屈服力设置为载荷力F，连接单元的塑性 变形值设置为相对运动距离s，连接单元的弹性刚度设置为铝蜂窝材 料的杨氏模量E_al。

步骤三，建立缓冲着陆腿的连接关系。

通过设置摩擦系数μ表示摩擦力，在内筒外壁与外筒内壁之间建 立接触属性。将步骤二中建立的RA点和RB点通过多点约束方式分 别约束固定到外筒上端面和内筒下端面，使得RA点的运动与外筒上 端面运动一致，RB点的运动与内筒下端面的运动一致。

至此，缓冲着陆腿模型建立完成。在下一步着陆器整体分析中， 只需将RA点和RB点分别与着陆器主体以及足垫再次按照多点约束 的方式进行连接。

有益效果

本发明方法与现有技术相比，具有以下优点：

（1）采用有限元建模，充分考虑了结构柔性对响应的影响；

（2）考虑了缓冲着陆腿柔性对着陆腿内外筒之间的相互作用；

（3）对铝蜂窝力学特性的简化建模，在保证准确度的前提下有 效地提高了计算效率。

附图说明

图1为本发明的缓冲着陆腿结构示意图；

图2为具体实施方式中缓冲着陆腿连接单元示意图；

图3为具体实施方式中缓冲着陆腿载荷行程示意图；

图4为具体实施方式中着陆器整体示意图；

标号说明：1-外筒，2-铝蜂窝芯子，3-内筒，4-缓冲腿，5-着陆器 主体，6-足垫。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

步骤一、缓冲着陆腿构形建立

按照内外筒的几何特性参数建立几何模型，缓冲着陆腿结构示意 图如图1所示。几何参数包括：内筒的长度l_in＝875mm、内筒的外半 径R_in＝49mm、内筒壁厚度h_in＝2.5mm、外筒的长度l_out＝1424mm、外筒 的外半径R_out＝52.5mm、外筒壁厚度h_out＝2.5mm以及内筒安装到外筒内 后的总长度l_w＝1880mm。

内外筒采用壳单元模拟，赋予内外筒各自的截面属性，并对内外 筒分别进行网格划分。截面属性包含壳单元的材料属性与壳单元的厚 度，材料属性为杨氏模量E与材料密度ρ，壳单元的厚度值即为内外 筒壁的厚度h_in＝2.5mm和h_out＝2.5mm。

步骤二、铝蜂窝材料缓冲特性模型建立

采用连接单元模拟上述载荷行程关系，连接单元建立过程为：先 在缓冲着陆腿两端部建立参考点RA、RB，如图2所示，RB点处于内 筒下端面圆心处，RA点处于外筒上端面圆心处，在RB点建立随体坐 标系，在随体坐标系中只保留RA点沿轴线方向的自由度，即图中x 方向的自由度。

接着在RA、RB之间建立载荷行程关系。载荷行程关系如图3所 示。在ABAQUS平台下，可以通过非线性移动连接单元Translator实 现，连接单元的各级塑性屈服力YieldForce设置为载荷力F1与F2， 连接单元的塑性变形值PlasticMotion设置为相对运动量S1与S2，连 接单元的弹性刚度Elasticity设置为铝蜂窝材料的杨氏模量E_al。

步骤三、缓冲着陆腿各部分之间连接关系的建立

内筒外壁与外筒内壁之间建立接触，通过设置摩擦系数μ＝0.4表 达筒壁之间的摩擦特性。将步骤二中建立的RA点和RB点通过多点 约束方式分别约束固定到步骤一所建立的外筒上端面和内筒下端面， 在ABAQUS平台下可通过Coupling建立多点约束，使得RA点的运动 与外筒上端面的运动一致，RB点的运动与内筒下端面的运动一致。

将各个缓冲腿结构与着陆器主体以及足垫连接，如图4所示，并 建立相应的边界及初始条件，便可以进行着陆动力学仿真分析。该建 模方法在保证一定准确度的前提下节省了计算耗时，特别适用于多工 况着陆仿真分析。