某航天器轉載過程中瞬態(tài)碰撞動力學研究

郭君斌，于傳強，王俊提，高 楊

(1. 火箭軍工程大學，陜西 西安 710025；2. 火箭軍裝備部駐長治地區(qū)軍事代表室，山西 長治 046012)

1 引言

“航天器-適配器-運輸筒”系統(tǒng)在轉載運輸過程中發(fā)生碰撞的概率非常小，但也難免由于操作失誤或者操作不當而發(fā)生碰撞，而碰撞又直接關系到航天器內部精密儀器的可靠性問題，因此作為系統(tǒng)整體被動安全性的重要內容之一，對于在運輸過程中產生的碰撞以及振動問題，如何降低損害是航天器亟待解決的關鍵問題之一。

航天器在運輸過程中涉及的結構主要包括運輸筒、適配器等部分。其中，運輸筒材質主要以高硬度玻璃鋼為主，起保護、定位、支承航天器以及保溫的作用。適配器的材質是粘彈性阻尼材料，以聚氨酯泡沫塑料為主體，在內表面布置粘貼海綿橡膠層，在外表面粘貼聚四氟乙烯薄膜，既能較好的調節(jié)航天器的艙體公差，提高適應性，亦可以減小進出筒時與筒間的接觸阻力，顯著提高系統(tǒng)的阻尼，迅速減弱波在系統(tǒng)中的傳播速度，在較短時間內使得系統(tǒng)振動得到迅速衰減，從而起到抑制振動的效果。

解析法、數值法、試驗法是研究系統(tǒng)碰撞和振動問題的常用方法。解析法計算量大，求解過程復雜，且多數情況無解，目前有李士軍等人運用Blatz-Ko應變能函數，以三次縮減的多項式的形式，得到了系統(tǒng)中軸對稱面上的位移和應力、應變解析解；Tzou和Kim對彈性面板以及厚板的面內振動進行解析求解，求解了自由振動的振型和振幅等精確解；Park則以圓板面為對象，研究其自由振動，并利用Helmholtz分解法獲得了自由振動方程以及固有頻率的精確解；羅忠和李恩奇等人以圓柱殼為研究對象，結合其阻尼特性，用解析法解得其動力學固有特性。試驗法通常是消耗性，不可往復使用，成本大、耗時長。數值法一般采用有限元法，是一種工程上常用的數值仿真方法，且發(fā)現問題可以及時修改模型重新仿真，因此是系統(tǒng)結構設計過程中碰撞安全性結構設計與分析的主要方法。

本文圍繞運輸過程中的“航天器-適配器-運輸筒”系統(tǒng)，利用瞬態(tài)動力學理論和有限元數值仿真分析方法，主要研究“航天器-適配器-運輸筒”系統(tǒng)在運輸過程瞬態(tài)碰撞的動力學響應以及適配器在碰撞過程中的減振效能。考慮運輸筒和航天器的彈性變形，利用有限元數值仿真軟件ABAQUS建立多剛柔耦合體系統(tǒng)動力學模型，并分別對艙體、適配器和運輸筒進行剛柔耦合分析，以數值法模擬系統(tǒng)在三種不同停放方式下的碰撞過程，計算航天器系統(tǒng)三種不同停放方式下的動力學響應，得出系統(tǒng)關鍵節(jié)點處的位移、速度、加速度等運動響應特性曲線，最后研究減振裝置適配器在碰撞過程中的減振效能。

2 結構模型

航天器在運輸中采用的系統(tǒng)結構形式如圖1所示。在“航天器-適配器-運輸筒”系統(tǒng)中，適配器和運輸筒結構相對簡單，質量分布均勻，但航天器上包含設備較多，與適配器和運輸筒相比，結構也比較復雜，利用質量密度線性分布假設，首先確定航天器艙段數以及各個艙段的質心位置和各個艙段質量，建立航天器模型。模型采用8個艙段，如圖2所示，各艙段等效壁厚分別為22 mm、20 mm、45 mm、14 mm、62 mm、18 mm、66 mm和12 mm?！昂教炱?適配器-運輸筒”系統(tǒng)的三維結構模型如圖3所示，相應的材料參數如表1所示。

圖1 “航天器-適配器-運輸筒”系統(tǒng)動力學模型

圖2 航天器各艙段結構分布簡圖

圖3 “航天器-適配器-運輸筒”系統(tǒng)的三維結構模型

表1 材料參數

3 仿真模型

3.1 網格模型

在有限元分析中，網格劃分的類型和網格質量是關鍵因素，“航天器-適配器-運輸筒”系統(tǒng)模型網格劃分過程中，由于結構相對復雜，各個艙段的壁厚、形狀、材料不盡相同，都增加了網格劃分的難度，因此，默認的網格劃分技術無法自動生成規(guī)則網格，需要進行手動劃分。根據航天器的等效結構，將航天器依據艙段位置劃分為8個區(qū)域以掃描技術進階算法進行網格劃分，構建結構化網格或掃描網格。網格尺寸大小為0.05，網格類型為八節(jié)點線性六面體單元，網格數量為27921，節(jié)點數為35264。與之相對的，在運輸筒和適配器模型的網格劃分中，網格劃分算法、網格尺寸、類型與航天器一致，得到運輸筒網格數10265，單元節(jié)點數21395，適配器網格數2136，單元節(jié)點數3471。網格模型如圖4所示。

圖4 “航天器-適配器-運輸筒”系統(tǒng)結構網格圖

3.2 碰撞載荷施加

“航天器-適配器-運輸筒”系統(tǒng)被放置于運輸車或放置于工作車上時，速度瞬間減小并趨近于零。由于慣性作用，系統(tǒng)會產生加速度，此加速度值的大小由轉載放置距離、所用時間、初始狀態(tài)共同決定，放置、運輸時速度越大，放置過程時間越短，那么慣性加速度就越大，且航天器質量較大，相應的慣性力比較大。在動力學分析中，將此加速度等效為系統(tǒng)的前后支承位置同時受加載時間為0.2s、幅值為16kN的集中力作用。而轉放安置設備將系統(tǒng)放到運輸車上時通常又會出現三種停放方式，方式A：運輸筒前后支點同時接觸；方式B：運輸筒前支點先于后支點接觸；方式C：運輸筒后支點先于前支點接觸。這三種方式等效瞬態(tài)載荷加載情況如圖5-圖7所示。

圖5 方式A載荷時間歷程

圖6 方式B載荷時間歷程

圖7 方式C載荷時間歷程

4 仿真結果分析

4.1 航天器關鍵節(jié)點瞬態(tài)碰撞動力學分析

利用有限元數值仿真軟件ABAQUS中的模態(tài)分析模塊對系統(tǒng)三種不同停放方式進行振動分析，對系統(tǒng)結構停放方式A、B、C分別做瞬態(tài)碰撞響應計算。圖8-圖10和圖11-圖13分別繪制了航天器兩個典型位置(航天器艙頭位置位于艙段1的節(jié)點566處和艙尾位置位于艙段7的節(jié)點12820處)的位移、速度、加速度響應結果。

圖8 艙段1的節(jié)點566處的位移響應

圖9 艙段1的節(jié)點566處的速度響應

圖10 艙段1的節(jié)點566處的加速度響應

圖11 艙段7的節(jié)點12820處的位移響應

圖12 艙段7的節(jié)點12820處的速度響應

圖13 艙段7的節(jié)點12820處的加速度響應

通過觀察上述三種不同停放方式下航天器艙頭和艙尾的瞬態(tài)碰撞位移、速度、加速度響應曲線圖可以得到如下結論：

1)對于不同停放方式，系統(tǒng)可產生不同的碰撞響應。對于停放方式A，即運輸筒前后支點同時接觸運輸車的情況，系統(tǒng)的瞬態(tài)位移、速度、加速度最大；對于停放方式C，即運輸筒后支點先于前支點接觸運輸車的情況，系統(tǒng)的瞬態(tài)位移、速度、加速度最?。粚τ谕７欧绞紹，即運輸筒前支點先于后支點接觸運輸車的情況，系統(tǒng)的瞬態(tài)位移、速度、加速度響應值介于停放方式A和停放方式C之間。因此，運輸筒后支點先于前支點接觸運輸車的停放方式C最為安全可靠。

2)結構阻尼相同時，系統(tǒng)的瞬態(tài)位移、速度、加速度衰減速度最快的是運輸筒前后支點同時接觸運輸車的停放方式A，其次是運輸筒前支點先于后支點接觸運輸車的停放方式B，衰減速度最慢的是運輸筒后支點先于前支點接觸運輸車的停放方式C。

3)同一停放方式下，航天器艙頭的位移、速度、加速度響應幅值要大于航天器艙尾。

4.2 適配器減振效能評價

適配器在航天器和運輸筒之間主要起減振器作用，即可以衰減振動，振動衰減的效果如何，可以用加速度傳遞率來衡量。加速度傳遞率的大小指示該區(qū)域內加速度的變化，定義為該頻段內系統(tǒng)模型中振動的上下參考點的加速度最大值的比值。傳遞率數值越低，表明減振器系統(tǒng)的減振性能越好，其形式可以具體用分貝來描述，具體描述為

(1)

圖14 適配器安裝位置

圖15 適配器結構簡圖及關鍵點位置

以運輸筒前后支點同時接觸運輸車(即停放方式

A

)為分析對象，分別選取圖14所示前后適配器，取圖15所示最底部位置1向上30°、位置2向上60°、位置3以及水平位置4，求得對應的航天器和運輸筒的不同位置處空間最大加速度幅值與傳遞率，如表2和表3所示。

表2 前端適配器不同位置處上下加速度與傳遞率

表3 后端適配器不同位置處上下加速度與傳遞率

從表2及表3可以看出，前端適配器加速度傳遞率分布在-12.644dB～-5.631dB范圍內，后端適配器加速度傳遞率分布在-24.605dB～-8.997dB范圍內。同時，分析表明：

1)航天器軸線方向同一截面上響應加速度一致，且后端適配器的加速度傳遞率小于前端適配器的加速度傳遞率，表明后端適配器隔振性能優(yōu)于前端適配器。

2)沿著適配器最底部往水平方向，加速度傳遞率呈現增大趨勢，表明最底部的隔振性能最好。

3)根據文獻[17]提供的常見產品的振動脆值，航天器在該瞬時沖擊力下的最大加速度峰值為0.4G，遠小于文獻中高級精密電子儀器的振動脆值，因此該碰撞對航天器的損害很小，安全性較好。

5 結論

本文結合瞬態(tài)動力學理論和有限元數值仿真方法，利用有限元數值仿真分析軟件ABAQUS，對轉載過程中的“航天器-適配器-運輸筒”系統(tǒng)進行了瞬態(tài)動力學分析，研究表明：

1)運輸筒后支點先于前支點碰撞接觸的放置方式最安全，前后支點同時碰撞接觸的振動衰減速度最快，且航天器艙頭位置的振動響應最大。

2)航天器軸線方向同一截面上響應加速度一致，且后端適配器加速度傳遞率大于前端，適配器最底部位置隔振性能最好。

3)運輸筒后支點先于前支點碰撞接觸時，產生的碰撞力對航天器的損害很小，安全性較好。