升降式着陆梯结构设计和分析

论文摘要

升降式着陆梯的相关研究紧紧围绕探月二期工程的关键技术—月球软着陆和月球车释放技术,对月球表面无人探测任务的顺利实施有着重要意义。目前在探月二期工程的技术论证过程中,国内相关部门已经提出了月球车以及腿式着陆器的初步方案,月球车、着陆器的结构以及月球表面复杂的环境条件要求着陆梯的设计过程遵循轻质、可靠、节能的设计原则。在方案研究阶段,详细比较已有着陆梯结构形式的优缺点之后,建立了PRO/E三维模型并绘制了工程图,以验证新式着陆梯各部件空间布置和加工制造的可行性,从而发展了升降式着陆梯在运动导向性、驱动方式多样性等方面的特点,最后提出了满足发射、承载、着陆等工作阶段各种不同要求的设计方案。在确定设计方案后,运用由整体到局部的结构最优化思想,首先利用Hypermesh建立了承力结构在整个空间的总体有限元模型和结构简化模型,接着依次采用二维拓扑优化、参数优化、三维拓扑优化等方法,设计出重量轻、刚度大的承力结构,实现了“轻量化”的设计目标。为了节约使用航天器上有限的能源,提出了零能耗制动的方法,充分利用直流电机的四象限运行特性,使作为负载的月球车、电机和制动器组成的闭环回路实现稳态运行。然后在动力学仿真过程中,综合运用ADAMS和MATLAB中的仿真工具,模拟升降式着陆梯在钢丝绳作用下由折叠到展开,以及由着陆器顶端下降到底部并最终抵达月面的复杂动力学过程,改变电气参数进行重复实验,以获得期望的着陆速度。最后采用有限元分析方法,依次分析了主要承力结构的静应力、热应力和固有频率,得出了改善其力学性能的基本思路。同时本文建立的参数化3D模型具有一定的通用性,较好地结合了单个零件的应力分析以及整体的动态性能分析,可方便地拆分为独立的子系统或单个元件,以揭示单个部件的性能指标对整体功能的影响,为进一步的MDO优化打下了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 月球车释放机构的研究意义
• 1.3 国内外研究现状综述
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内的相关研究状况
• 1.3.3 其它相关机械系统
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 着陆梯的结构设计及支撑结构的优化
• 2.1 着陆梯的方案研究
• 2.2 着陆梯的详细结构设计
• 2.2.1 着陆梯的基本结构部件
• 2.2.2 受力分析
• 2.2.3 锁定与解锁机构
• 2.3 着陆梯面的结构优化
• 2.3.1 二维梯面的拓扑优化
• 2.3.2 着陆梯面框架的参数优化
• 2.3.3 应用密度惩罚函数法对着陆梯面进行三维拓扑优化
• 2.3.4 支撑板的形貌优化
• 2.4 本章小结
• 第3章 着陆梯的驱动传动分析及运动过程仿真
• 3.1 驱动传动系统和运动过程分析
• 3.1.1 着陆梯展开阶段电机驱动分析
• 3.1.2 着陆梯下落阶段的断电制动分析
• 3.2 ADAMS 机械系统和控制系统的联合建模
• 3.2.1 驱动元件的参数
• 3.2.2 ADAMS 动力学模型和控制系统模型的建立
• 3.3 运动过程的仿真分析
• 3.3.1 着陆梯的展开过程
• 3.3.2 着陆梯的下落过程
• 3.3.3 着陆梯的着陆高度调整
• 3.4 本章小结
• 第4章 着陆梯有限元分析
• 4.1 仿真分析平台及虚拟样机协同仿真技术简介
• 4.2 着陆梯的有限元建模
• 4.2.1 交界面网格相似，节点自由度不同
• 4.2.2 交界面网格不同，节点自由度相同
• 4.2.3 交界面网格不同的实体
• 4.2.4 交界面网格不同，节点自由度不同
• 4.3 载荷与静应力分析
• 4.4 固有频率分析
• 4.4.1 着陆梯展开状态下的模态分析
• 4.4.2 着陆梯工作状态下的振型
• 4.4.3 着陆梯发射状态下的约束模态
• 4.5 热分析
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简介