基于联合建模的中小型航天器对接杆缓冲性能分析

摘要： 基于中小型航天器对接过程可以考虑在对接杆部分实现缓冲的思想，改变对接杆构型，采用变形能力大的对接杆提高对接冲击的缓冲性能.通过Pro/ENGINEER与MSC Patran和MSC Dytran的配合使用，对普通圆柱直杆、弓形杆和球形杆等3种构型的对接杆进行建模，仿真分析其在正碰和斜碰情形下的缓冲性能，并通过改变碰撞初始相对速度讨论初始条件对缓冲性能的影响.具有较大变形能力的对接杆可以明显提高对接冲击的缓冲性能；变形能力越大的杆构型对初始相对条件改变的适应能力越强.

关键词： 中小型航天器； 对接杆； 碰撞缓冲； 空间柔性对接； Pro/ENGINEER； MSC Patran； MSC Dytran

中图分类号： V526； V414.3； TB115.2文献标志码： B

Buffering characteristic analysis on docking probe of

medium and small spacecraft based on joint modeling

ZHANG Xiang, HUANG Yiyong, HAN Wei, CHEN Xiaoqian

(College of Aerospace and Materials Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

Abstract： In the docking process of medium and small spacecrafts, it is feasible to implement good buffering by docking probe, so that the configuration of docking probe is changed to enhance its deformation capacity and achieve the buffering characteristics of docking impact. By combining Pro/ENGINEER with MSC Patran and MSC Dytran, the modeling is performed on three kinds of probes including cylindrical straight probe, bow probe and spherical probe, the buffering characteristics are simulated and analyzed under frontal collision and oblique collision, and the effect of initial conditions on buffering characteristics is discussed by changing initial relative velocity of collision. The probes with better deformation capacity can improve the buffering characteristics in the docking process and the probes with good deformation capacity perform good adaption to the change of initial conditions.

Key words： medium and small spacecraft; docking probe; impact buffering; space flexible docking; Pro/ENGINEER; MSC Patran; MSC Dytran

0引言

自20世纪60年代人类首次实现在轨对接以来，人们一直非常重视对接机构的研究.［1］锥-杆式对接机构是前苏联研制的最早的对接机构，出现于1967年，由分别安装在追踪航天器和目标航天器上的主动件与被动件构成.在主动件的通道盖上装有能伸缩的传动机构――连接杆，被动件的盖子上设计有接纳锥，二者配合完成对接.［2］对接过程必然伴有碰撞冲击效应，目前主要采用缓冲机构对碰撞冲击进行缓冲［3］，对于中小型航天器的对接过程，可考虑直接在对接杆部分实现缓冲［4］，通过改变对接杆构型，采用变形能力更大的对接杆结构实现对碰撞冲击的缓冲.

针对碰撞问题，目前通用的做法是采用有限元建模与瞬态动力学分析软件MSC Patran和MSC Dytran［5］进行仿真分析.MSC Patran和MSC Dytran具有强大的有限元网格划分与瞬态动力学分析能力，但MSC Patran在前处理过程中的几何模型构建能力有限，次于通用的三维CAD软件.三维制图软件Pro/ENGINEER的参数化［6］能实现软件间的配合使用，为解决复杂几何模型构建问题提供一种可行途径.

本文通过将Pro/ENGINEER与MSC Patran和MSC Dytran配合使用，实现对复杂对接杆模型的建模与空间对接碰撞的仿真分析.通过比较3种构型对接杆缓冲对接碰撞冲击效果的性能差异，为设计性能更优的柔性对接杆提供参考.

1Pro/ENGINEER与MSC Patran和MSC Dytran联合建模1.1建模方法及流程

首先在Pro/ENGINEER中建立空间对接简化模型，然后将Pro/ENGINEER中生成的模型参数化文件导入MSC Patran中进行前处理，主要包括划分网格、定义材料及模型特性、定义初始条件及边界条件、定义输出等步骤，然后将输出的dat文件导入MSC Dytran中进行外部求解.Pro/ENGINEER与MSC Patran和MSC Dytran联合建模分析流程见图1.

在Pro/ENGINEER与MSC Patran和MSC Dytran联合建模过程中，需注意以下问题：

(1)在Pro/ENGINEER建模过程中，尽量不进行倒角操作，并且保证模型可靠连接.

(2)在模型igs文件导入到MSC Patran中时要在IGES Options中进行单位参数设置，由于Pro/ENGINEER采用毫米单位，故在Model Units中选择1 000.0 mm.

图 1Pro/ENGINEER与MSC Patran和MSC Dytran联合

建模分析流程

Fig.1Process of Pro/ENGINEER, MSC Patran and MSC Dytran joint modeling and analysis

(3)采用四面体单元Tet4对模型进行网格划分，并且在“TetMesh Parameters”中进行适当设置.其中，最大h/L设置为0.01，Global Edge Length一般在0.05~1.00之间，本文设置为0.05，这样可在网格划分时使模型边界网格显得更柔和.最大h/L的定义见图2.

图 2最大h/L定义

Fig.2Definition of maximum h/L

(4)在定义材料时，柔性对接杆部分采用线弹性材料LinElas(DMATEL)，其他部分均采用刚性材料Rigid(MATRIG).

(5)接触定义采用CONTACT卡，采用MasterSlave Surface接触模式，对接杆部分为Slave组，对接锥部分为Master组.

(6)导出dat文件在MSC Dytran中进行外部求解，可明显提高模型解算的速度.

1.23种对接杆模型

3种对接杆的Pro/ENGINEER三维模型见图3.

(a)普通圆柱直杆(b)弓形杆(c)球形杆图 33种对接杆的Pro/ENGINEER三维模型

Fig.33D Models of three kinds of probes in Pro/ENGINEER

在MSC Patran中经过网格划分后的有限元模型见图4，锥-杆式对接碰撞机构有限元简化模型见图5.

(a)普通圆柱直杆(b)弓形杆(c)球形杆图 4MSC Patran中3种对接杆模型的有限元网格划分

Fig.4Finite element meshing of three kinds of

probe models in MSC Patran

3种对接杆的轴向长度均为0.14 m，球头半径均为0.015 m.普通圆柱直杆的横截面半径为0.01 m；弓形杆弓形部分半径为0.04 m，横截面半径仍为0.01 m；球形杆球形部分分为4瓣，球半径为0.04 m，壁面厚0.001 5 m.对接锥部分完全相同，在初始时刻，对接杆端初速度为0.1 m/s，对接锥端静止，对接杆与对接锥发生对心正碰或与对接锥面发生斜碰.模型网格划分和材料特性定义完成后的质量与网格参数对比见表2.

2模型仿真结果及分析

2.1正碰情形

正碰是指在对接过程中对接杆端的轴线方向与对接锥轴线方向重合，对接杆直接进入锁紧装置.该情形是对接过程中的特殊情况，需要十分精准的控制技术，一般情况下很难做到.正碰情形碰撞冲击力时间历程曲线见图6,可知，在3种碰撞冲击力时间历程曲线中，球形杆和弓形杆的碰撞力峰值较普通圆柱直杆明显减小，碰撞持续时间明显增加；球形杆较弓形杆的碰撞冲击力峰值更小，碰撞持续时间更长.具体的碰撞冲击参数见表3.

表3中的碰撞冲击力冲量通过碰撞冲击力对时间进行积分求得，平均碰撞冲击力是碰撞冲击力除以碰撞持续时间求得的平均冲击效果.可知，球形杆平均碰撞冲击力最小，弓形杆稍大于球形杆，普通圆柱直杆要远大于弓形杆和球形杆.因此，改变杆的构型能对碰撞起一定的缓冲效果.在缓冲对接碰撞冲击效果方面，球形杆最优，弓形杆次之，普通圆柱直杆最差.

2.2斜碰情形

斜碰情形中碰撞冲击力时间历程曲线见图7，可知，球形杆和弓形杆的碰撞冲击力峰值明显小于普通圆柱直杆，而碰撞接触时间明显延长.具体的碰撞冲击参数见表4，可知，球形杆平均碰撞冲击力最小，弓形杆稍大，普通圆柱直杆平均碰撞冲击力最大.由此可得类似于正碰情形的结论：在缓冲对接碰撞冲击效果方面，球形杆最优，弓形杆次之，普通圆柱直杆最差.

通过上述对正碰和斜碰仿真结果的分析可知，经过改造的球形杆和弓形杆缓冲碰撞冲击效果的性能明显增强.球形杆和弓形杆的变形能力明显强于普通圆柱直杆，能获得更大的变形势能，因此球形杆和弓形杆的碰撞缓冲能力明显优于普通圆柱直杆；而球形杆发生变形的区域要大于弓形杆，在变形总量上占优，能吸收更多的碰撞能量，故球形杆的碰撞缓冲性能稍强于弓形杆.

3初始相对速度对碰撞冲击的影响

在上述仿真分析过程中，初始相对速度给定为0.1 m/s，通过改变3种构型对接杆发生对接碰撞时的初始相对速度，讨论初始条件改变时对接杆构型对碰撞冲击缓冲性能影响，结果见表5.3种构型对接杆平均碰撞冲击力随初始相对速度变化关系见图8，可知，在初始相对速度改变时，3种构型对接杆对碰撞冲击的缓冲效果不同.曲线越陡，说明平均碰撞冲击力随相对初始速度变化越快，碰撞冲击越大，其对应构型对接杆缓冲碰撞冲击效果越差.图8中球形杆对应曲线倾斜度最小，说明其缓冲性能对初始条件改变的适应性最好.

4结论

通过Pro/ENGINEER与MSC Patran和MSC Dytran联合建模仿真以及对仿真结果进行分析，可得以下结论：

(1)通过改变对接杆的构型，采用具有较大变形能力的杆构型，如弓形杆或球形杆，可明显改善对接杆缓冲对接碰撞冲击的性能.

(2)不同构型对接杆其缓冲碰撞冲击的性能对初始相对条件改变的适应能力不同，一般地，变形能力越大的杆构型适应能力越好.参考文献：

［1］陈小前, 袁建平, 姚雯, 等. 航天器在轨服务技术［M］. 北京: 中国宇航出版社，2009: 367399.

［2］刘宇. 俄罗斯典型空间对接机构及其特性［J］. 航天器工程, 1994(2): 3338.

LIU Yu. Typical Russia space docking mechanism and its characteristics［J］. Spacecraft Eng, 1994(2): 3338.

［3］关英姿. 航天器对接过程的动力学及仿真技术［D］. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2001.

［4］KVECSES J, CLEGHORN W L. Impulsive dynamics of a flexible arm: analytical and numerical solutions［J］. J Sound & Vibration, 2002, 269(12): 183195.

［5］卞文杰, 万力, 吴莘馨. 瞬态动力学CAE解决方案MSC Dytran基础教程［M］. 北京: 北京大学出版社, 2004: 135.

［6］王咏梅, 康显丽, 张瑞萍, 等. Pro/ENGINEER Wildfire 4.0 中文版基础教程［M］. 北京: 清华大学出版社, 2008: 121.

(编辑陈锋杰)第20卷 第4期2011年12月计 算 机 辅 助 工 程Computer Aided EngineeringVol.20 No.4Dec. 2011