SolidWorks下对卫星振动压环的优化设计

　　本文探讨了SolidWorks下对卫星振动压环的优化设计相关内容。

　　1 前言

　　以前卫星在做振动试验中，大多采用星箭适配器底面的振动响应包络曲线作为输入条件，即星箭适配器一同参与振动试验。在卫星及火箭的制造流程中，星箭适配器是属于火箭的一部分，因此在针对卫星的振动试验中，为了更好的反映卫星个体的振动响应特性，应去除星箭适配器对于整星振动特性的影响，因此将输入条件上移到星箭分离面是最合理的。目前，越来越多的卫星均采用不带星箭适配器的振动试验模式。这种模式要求振动夹具与卫星的连接采用模拟包带压紧的方式，振动压环就起到了这一作用。目前振动压环在使用中主要存在的缺陷有：

　　(1)配合面制造误差引起压不紧、虚压现象;

　　(2)压环容易径向变形导致无法安装。

　　这两个问题都会导致试验无法进行，或者试验结果误差过大。为了解决这两个主要问题，必须从设计层面进行优化。有限元法用于结构的静力及刚度分析计算十分有效[1]，本文利用Solidworks软件，通过对压环设计的优化设计及有限元分析，探讨了提高压环抗变形能力和增加预紧力的途径。

　　2压环优化设计

　　2.1 压环结构

　　卫星的星箭分离环下法兰为一斜面，通过与包带斜面的配合将其压紧在星箭适配器上法兰上(见图1、2)。图2中星箭分离环上端面与卫星相连，星箭适配器下端面与火箭相连，从而形成发射时的状态。

图1：星箭分离面示意图

图2：分离环与适配器装配示意图

　　为了模拟图1的连接方式，振动夹具上必须有一带有斜面的压环将星箭分离面压紧在夹具上。在设计中，一般都是通过压环的斜面与星箭分离环下法兰斜面接触，然后压环通过螺钉紧固在夹具平面上(见图3、4)，而星箭分离环此时通过斜面的下压产生预警力，起到固定作用。

图3：压环示意图

图4：压环与夹具装配示意图

　　2.2 压环优化设计

　　本设计取卫星的星箭分离环斜面角度为20?，压环为了与其配合，斜面的角度有20?和小于20?两种选择。前者必须使压环的高度比计算高度小，后者压环的高度可与计算高度相等。两种方法在预警原理上是相同的，安装后，压环都具有一定程度的上翘(一般相对于夹具上平面的夹角为0.5°～1°)，其与夹具的接触为线接触，上翘后形成的空间正好形成了桥梁效应，将螺钉的下压力传递给星箭分离环斜面以及压环与夹具的接触部位。本文选用的斜面角度为19.5?，压环高度与计算相当。

　　预紧力不足主要是由于配合斜面制造误差引起的，角度偏大会使上翘角度变小，严重影响桥梁效应传递力的能力，甚至形成虚压;而角度偏小会使上翘角度变大，这样很可能会使螺孔无法对准，造成螺钉拧不进的情况。我们将压环设计改成阶梯状，力图加大与夹具上平面之间的空间，使其不用上翘即可形成桥梁效应，这样可大大降低斜面加工角度偏大造成的影响。压环改成阶梯状后在加工中只需使斜面角度不偏小即可，这比角度偏大和偏小都要控制的情况难度低得多，且不容易形成加工错误。压环优化前后截面图及装配示意图见图5～8。

图5：优化前压环断面

图6：优化后压环断面

图7：优化前装配示意图

图8：优化后装配示意图

　　一般压环在设计中为了安装，通常截为三段，即每隔120?为一段，这样在加工时是较为简便的，其靠模只需约束几个点，使其在截断后不变形即可。但是这种方法每一段的长度较长，对于杆件来说，在横截面一定时，长度越大刚度越小，压环作为弧形结构，本身具有径向伸直的趋势，因此它在制作完成后，其每一段都会留有一定程度的径向回复应力。振动试验是一个应力释放的过程，在试验中由于压环有螺钉的约束，被释放的径向回复应力将在压环中累积，一旦螺钉松开，压环处于自由状态，累积的径向回复应力将得到释放，如果压环自身刚度过低就会发生变形。在以往压环的使用中经常发生两端沿径向外伸的变形现象，导致螺孔孔错位而无法安装。我们经分析比较后确定将压环设计为12段，即每30?一段，这样每段的长度将非常有限，可大大加强刚度，防止变形。此外由于12段方式压缩了长度空间，更有利于运输和携带，压环优化前后示意图见图9、10。

图9：优化前压环示意图

图10：优化后压环示意图

　　3 分析与比较

　　3.1 压环刚度对比分析

　　为了增加压环的刚度，必须缩短其单根长度，这样就需要将压环截为更多段。我们针对3段到16段中能够被360度除尽的段数进行了模态分析及静力分析，因为这些样本在加工中较易实现。力图通过分析刚度比及静位移量曲线图，从刚度和抗变形能力两方面来找出压环的优化分段方式。

　　3.1.1 模态分析

　　此次模态分析使用cosmos软件作为求解器，材料取普通碳钢，其主要参数为：弹性模量210GPa、泊松比0.28、密度7800Kg/m3。由于压环的应力释放和变形主要是在螺钉卸除后的自由状态发生，且都为径向弯曲变形。为了使各段模态振型一致(径向弯曲振型)，便于比较，采用约束模态方式针对3段、4段、5段、6段、8段、9段、10段、12段、15段、16段共10个工况计算其一阶模态，约束状态模拟端部螺钉紧固其余螺钉松开的情况，即限制每段压环端部的三个平动以及底部的轴向平动。经求解3段方式一阶振型及频率见图11，各段方式一阶频率及与3段方式质量比见表1。

图11：3段方式刚度

　　在模态分析中，设压环无其它类型振动的参与，理想化为简谐振动。简谐振动频率计算公式[2]如下：

(1)

　　式中k为刚度、m为质量、f0为固有频率。设3段方式固有频率为f3，刚度为k3，质量为m3;其余各段固有频率为fn，刚度为kn，质量为mn。

　　将f3、k3、m3代入式(1)得：

(2)

　　将fn、kn、mn代入式(1)得：

(3)

　　将式(2)除以式(3)得：

(4)

　　将表1带入式(4)，可得各段与3段方式的刚度比，见表2。

　　将表2数据做成散点折线图，见图12。

图12：各段刚度比散点折线图

　　3.1.2 静力分析

　　静力分析力图模拟在径向回复力的作用下，各段压环的位移情况。影响压环回复力大小的因素很多，如切削方式、截断情况、热处理条件等。每段回复力的具体数值是无法通过计算求出的，因此只能通过假设进行定性分析，为每段压环的自由端面施加1000N的径向力，约束方式与模态分析相同，计算自由端在相同受力情况下的最大位移量，并作趋势分析。经求解3段方式静位移量见图13，各段方式静位移量见表3。

图13：3段方式位移量

　　将表3数据做成散点折线图，见图14。

图14：各段位移量散点折线图

　　3.1.3 结论

　　从图12可以看出曲线在12段处开始刚度有了较大幅度的提升，其刚体化趋势相当明显。从图14可以看出在承受相同径向回复力的情况下，从8段处开始变形位移量的变化明显变小，这就说明8段之后的分段方式对于抗变形能力的提升贡献并不显著。由此可得，从刚性角度来看，应选择12段之后的分段方式，从抗变形角度来看应选择8段之后的分段方式，由于压环是卫星振动试验中的关键部件，具有多次重复使用的要求，在保守原则的前提下，我们做了交集，选择12段为压环优化分段方式。

　　3.2 压环预紧分析与比较

　　为了验证优化前后斜面加工角度偏大对于星箭分离环预紧力的差别，我们取出压环与星箭分离环装配状态中的一小段作为分析对象，分别针对斜面角度19.5°、19.8°、20°进行对比静力分析。分析中将底部的夹具用底面约束来代替，通过在压环顶面螺钉安装位加载100N的压力，计算星箭分离环斜面的竖直向受力情况，因为竖直向分力在分离环的预紧中起主要作用。约束情况见图15、图16，计算结果见表4。

图15：优化前约束情况

图16：优化后约束情况

　　将表4数据做成散点折线图，见图17。

图17：优化前后竖直向受力散点折线图

　　从图中可以看出，在19.5?和19.8?两个工况下，优化前后星箭分离环斜面的受力情况基本一致，都占了施加载荷的40%左右，应该说桥梁效应在这两个工况上优化前后都得到了体现。而20?这个工况，优化前斜面受力下降明显，优化后只是略有下降，前者受力占总施加载荷的8%，后者受力占总施加载荷的37%，在这一工况下优化前无法形成桥梁效应，施加的载荷绝大部分由夹具承受，预紧力大大降低，而优化后虽然受力也有所下降，但幅度不大，仍然能够体现桥梁效应，起到很好的预紧效果。出现这种情况主要是由于20?时，压环底面基本与夹具紧贴，优化前螺钉紧固位置已无腾空距离而优化后的阶梯结构使得螺钉紧固位置还留有足够的腾空距离，因此优化后的受力情况会大大好于优化前。

　　对于卫星振动试验来说，卫星与夹具的连接必须满足跟随条件[3],压环对卫星预紧力不足就会破坏这一条件，使两者之间无法保持紧密接触。这会导致试验结果产生较大的误差，甚至在试验中出现撞击声。在对星箭分离环的预紧力上，优化前后对于加工精度较高的压环来说几乎没有什么区别，两种方法都能起到极好的预紧效果，而在加工精度不够的情况下，优化后的适应能力更强，大大减小了加工误差对压环使用效果的影响。

　　4 总结

　　本文针对压环压不紧和易变形这两个主要问题进行了有限元分析。在实际振动试验中采用了优化设计方法，卫星的一阶频率较压环优化前有了明显的提高。此外在多次拆装压板中并没有再出现因压板变形使螺孔对不上的情况。压环作为卫星不带星箭适配器进行振动试验的必备件，它的好坏直接影响着卫星振动试验的成功与否。在压环优化设计后虽然解决了两大突出问题，但对于星箭分离环的预紧力仍是不可调的，还无法完全模拟包带的预紧力状态，为了使试验更接近真实情况，还需进一步深入的研究。

　　[参考文献]

　　[1] 郭荣平，段文颖. 随机振动试验夹具设计与研究. 振动、测试与诊断，1997，(1)：50 - 54

　　[2] 奚德昌，赵钦淼. 振动台及振动试验. 北京：机械工业出版社. 1985. 16-17

　　[3] 朱彦彬，等. 结构振动试验转接器的设计及安装问题. 真空电子技术，2006，(3)：47 - 49