通用衛星翻轉裝置運動學仿真與試驗分析

秦利，李帥，李泳嶧

(北京航天發射技術研究所，北京 100076)

0 引言

衛星-適配器組合體在總裝過程中，需要豎直狀態下在其周向進行總裝操作，之后翻轉至水平狀態并吊離。由于不同的組合體質量、質心均不一樣，因此為降低成本、提高設備使用率，設計一個通用化程度高、能適應一定翻轉力矩的翻轉裝置十分必要。

翻轉裝置在工程領域應用廣泛，國際上有較多諸如美國Bushman、德國Horst Kumbruch GmbH等公司作為規模大、種類齊全的優秀制造商，擁有數百種系列產品，但多用于圓柱或形狀規則的工件進行翻轉等[1]；國內相關領域起步較晚，基本維持在“專件專用”階段[2]，如太陽能電池片、自動補彈系統領域等[3-4]。因此依據成熟經驗及現有技術，結合衛星-適配器組合體自身特點，對通用化翻轉裝置進行設計與動力學仿真迫在眉睫。

1 工作原理與理論分析

1.1 工作原理

通用翻轉裝置結構簡圖如圖1所示。

圖1 通用翻轉裝置結構示意圖

通過同步操作兩側的減速機來實現翻轉組件及升降組件整體0°～90°的翻轉，其中升降組件可單獨上下移動來適應不同產品的翻轉力矩。

1.2 理論分析

理論上為實現衛星-適配器組合體的平穩翻轉，需通過調整升降組件的位置，并結合翻轉組件，通過二者力矩的疊加來抵消產品翻轉力矩Tc，即：

Tc=Ts+Tf=msg(Δhs+Δh)+mfgΔhf

(1)

式中：Δhs為升降組件質心距離翻轉中心的距離；Δh為可調整的升降距離；Δhf為翻轉組件質心距離翻轉中心的距離。

當式(1)成立時操作人員最為省力。但由于翻轉組件與升降組件的實際質量、質心與理論存在偏差，故翻轉裝置上還需設置標尺來適應實際的Tc值。本文重點分析翻轉裝置在極限工況下的力學性能，并進行結構優化設計與試驗驗證。

2 仿真與優化

已知衛星-適配器組合體的最大翻轉力矩為12 600 N·m，此時質心距翻轉裝置支撐面1 800 mm，當升降組件升至最高位進行翻轉時為最惡劣工況。

2.1 動力學及有限元仿真

將翻轉裝置模型導入Adams中，建立運動副并添加相應的Motions，得到所需的力矩曲線圖如圖 2所示，其中升降組件在最高位、翻轉至0°即60 s時的力矩最大，為5 689.6 N·m。

圖2 極限工況翻轉力矩曲線

根據上述所得極限力矩值作為結構靜力學計算輸入，對翻轉裝置進行考核，在不產生傾覆并具有足夠安全余量的情況下開展減重優化設計。

從三維建模軟件導入模型至ANSYS中，所作前處理主要如下：

1)將實體模型中的部分矩形鋼管轉換為殼體，賦予各截面厚度及方向屬性；

2)設置各殼體間的線-線及線-面搭接位置為Bonded接觸；

3)設置網格的Elements Size為20 mm，節點數量約18萬。

具體邊界條件與載荷等詳見表1。

表1 翻轉裝置仿真計算工況、約束及邊界條件匯總表

圖3為優化后的計算結果，主要是針對裝置中翻轉組件、架體部分矩形鋼管的壁厚進行了調整，具體數值及其對應的計算結果詳見表 2。

圖3 仿真結果圖

表2 計算結果匯總表

從表2的結果可知，除主要承力結構外(包括翻轉組件的支撐法蘭與升降組件的連接件等)，當其余框架的壁厚分別減至2 mm及1.5 mm后，最大變形約1 mm，最大應力110.5 MPa，安全系數>3，跟最初的8 mm及6 mm壁厚相比，總重減少約330 kg。

在實際操作時，翻轉裝置會依據翻轉力矩的大小，從上至下依次設置標識，待所翻轉的衛星-適配器組合體質量、質心數值確定后，預先將升降組件調整至理論高度再進行后續操作，可避免由誤操作導致極限工況的出現。

2.2 傾覆分析

依據圖 4進行理論計算，分析如下：

圖4 理論傾覆協調圖

m1x-m2×1 800>0

(2)

式中：m1為翻轉裝置質量，kg；m2為負載質量，kg；x為翻轉裝置至支撐面的距離。根據圖示數值可知x為404，故當承載最大負載時，在0°～90°的翻轉過程中機構不會產生傾覆風險。

3 加載試驗

3.1 試驗要求

基于上述分析，對翻轉裝置開展加載翻轉試驗，并與理論計算結果進行驗證。

根據有限元理論計算應力分布，試驗測點位置如圖5所示。

圖5 加載測點示意圖

a)試驗要求

1)在翻轉裝置的支撐面上安裝配重，以開展加載翻轉試驗(注：在加載試驗前先進行空載試驗以驗證翻轉過程平穩順暢)；

2)在圖5所示位置布設傳感器(精度±5%，采樣頻率100 Hz)；

3)操作崗位人員設有試驗現場指揮1人、操作崗2人、多媒體記錄崗1人及技安崗1人；

4)試驗次數為3次。

試驗現場及試驗結果見圖6及表3。

圖6 試驗現場

表3 試驗結果匯總表

b)試驗主要過程與方法

1)通過左右兩側操作人員同步勻速地旋轉手輪，使翻轉組件帶動負載進行0°～90°的翻轉，待翻轉到位后觀察產品狀態，確認無異常后再翻轉歸位，如此反復3次。

2)在翻轉過程中，通過在指定位置所貼應變片，記錄數據并進行多媒體記錄。

3.2 試驗結果對比分析

由于傳感器自身測量誤差、真實試驗條件與仿真模型存在少許出入，可認為試驗所得數據與理論仿真一致，即所設計的翻轉裝置結構形式滿足實際使用要求。

4 結語

通過對通用翻轉裝置在翻轉過程中所受載荷進行動力學仿真分析，定量計算其在極限工況下的最大轉矩值，得出經優化減重后的翻轉機構能夠滿足實際使用工況，最后通過實物加載與翻轉試驗進一步驗證了機構設計的合理性。

實際上通過與在產品連接的法蘭處增加轉接板，可按要求實現新狀態衛星-適配器組合體的翻轉功能，若超出翻轉力矩范圍，可采取額外增加配重的方式加以實現，但應在其防傾覆范圍內。