空间对接机构对接锁系运动同步性的影响因素分析

空间对接机构对接锁系运动同步性的影响因素分析

0密封锁系运动同步性影响因素空间接收系统是空间飞机进行可靠接收的关键。这三个主要功能目标是实现缓冲、刚性连接和分离，并形成一个密封通道，以产生适合船舶和货物运输能力的外部通道。对接锁系作为空间对接机构的组成之一,承担着飞行器刚性连接、保持密封和分离任务,其运动同步性是对接锁系完成刚性连接和分离的关键。由于对接锁系非常复杂,影响其运动同步性的因素较多。本文通过采用正交试验的方法设计仿真试验,高效找出影响对接锁系运动同步性的主要因素,为提高对接锁系运动同步性明确了改进方向。1刚性连接装置设计两航天器在空间通过对接机构实现刚性连接或分离是由2组独立的对接锁系完成,其中每组对接锁系由1套主动锁、5套从动锁和闭合的钢索组件等组成,如图1所示。其中主动锁直接由电机驱动,从动锁通过钢索组件与主动锁相连而间接驱动。两飞行器之间的刚性连接是通过两组各6套锁钩实现两两相互拉紧完成。在锁紧和解锁的过程中,要求对接机构上的每组6套锁基本同时动作,以保证锁钩行程偏差很小,达到刚性连接和分离的要求。2方法总结2.1因素水平设计正交试验是利用正交表来合理安排试验的一种方法。正交试验中的指标就是试验所要考察的效果,因素是指对试验指标可能产生影响的原因,水平是指因素在试验中所处的状态或条件。通过对接锁系前期攻关,基本明确影响对接锁系运动同步性的因素有以下三种:A因素(钢索预紧力)、B因素(绳轮间摩擦系数)和C因素(锁钩间摩擦系数)。按照以上三种因素,结合工程实际,设置各因素对应的两种水平如表1所示。为实现以上三因素两水平试验设计,设计选用L4(23)正交表如表2所示。对表2所设计选用的正交表说明如下:第1列“试验号1～4”表示通过4次试验就可以完成正交试验内容;第2～4列分别对应着A、B、C三种因素,且各种因素分别对应着1、2两种水平;A、B、C三种因素对应的每一列中各种水平(水平1、水平2)字码出现的频率相同,从而保证了试验条件均衡地分散在配合完全的水平组合之中;A、B、C三种因素对应的三列,对于每列因素而言,在各个水平(水平1、水平2)的结果之和中,其它因素各个水平出现的次数也都相同;从而保证了在各个水平的效果之中,最大限度地排除了其它因素的干扰,因而能够有效地进行比较并做出后续分析。设计的L4(23)正交表经检验确认符合均衡分散性和整齐可比性后,按照正交表各因素对应的水平进行仿真试验分析及后续试验数据处理。2.2正交试验结果的分析对接锁系的同步性仿真试验分析是基于MSC.ADAMS软件进行。在正交试验给定的输入条件下,通过动力学分析得到锁系运动同步性的角度差值,之后反馈填写正交试验数理统计列表,作为查找对接锁系运动同步性指标主要影响因素的分析输入。2.2.1主动钩与被动钩的接触模型对接锁系仿真建模的难点在于接触问题的求解和柔性钢索模型的建立。对接锁主动钩与被动钩之间的接触力比较大,又需要考虑摩擦效应,采用ADAMS中CURVE-CURVE的平面接触力元素来模拟主动钩与被动钩之间的受力关系。主动钩与被动钩之间的摩擦力采用Coulomb摩擦模型。钢索模型既要考虑绳索的非线性弹性变形,同时还要考虑绳索与滑轮之间的摩擦力影响。在ADAMS中没有现成的元件可以用来建模,需要通过二次开发编程来实现。钢索模型采用力元素来进行模拟,不考虑绳自身的重量及内部的振动,将绳当作一变刚度的弹性连接元素。2.2.2试验结果与分析编写的用户子程序VTOSUB描述了钢索弹性伸缩变形引起的绳索张力使得绳轮在合力矩作用下的运动情况;其中子程序的参数表有3个参数,参数1为主动力、阻力识别号,1为主动力,2为阻力;参数2为绳轮转动时转动轴标号,对应着转动副的IMark,参数3为绳轮转动时的参考坐标号,对应着转动副的JMark,SolverID对应着扭矩在ADAMS内部求解器的求解标号,反应在子程序VTOSUB中为ID号。在此列举钢索与绳轮间的力元素及子程序如图2所示。在ADAMS程序中合扭矩的计算如下:参照图3,轮a在钢索作用下带动轮b转动,轮a和轮b之间钢索的伸长量为:ΔL=(θa-θb)⋅R(1)ΔL=(θa−θb)⋅R(1)其中:R为绳轮的半径;θa,θb分别为轮a和轮b转动的角度;当不考虑钢索与绳轮之间的摩擦时,绳轮a和绳轮b之间的张力为:F=ΔL⋅Κstif+Fpre(2)F=ΔL⋅Kstif+Fpre(2)Kstif,Fpre分别为钢索的刚度系数和预紧力,此时F=F1=F2=F3,轮a受到的合扭矩为:Τ=(F0-F1)⋅R(3)T=(F0−F1)⋅R(3)由于这个力矩的作用,轮a便会带动轮b转动并依次传递下去,当遇到阻力即主被动钩接触时,钢索便会被拉长(ΔL增加)导致T增大,从而将被动钩拉紧。在完成ADAMS程序编制和动力学仿真模型、同步性转角测量器建立后,设置仿真试验参数进行仿真计算,输出仿真计算结果为各绳轮与主动轮之间的角度差,即锁系运动同步性的角度差值如下图4所示。从图4可知,在锁紧到位时刻,第四轮与主动轮之间的角度差最大,这与试验实际情况一致,证明了仿真试验分析的正确性。取以上两者之间的角度差值0.306度作为此次仿真试验锁系运动同步性的角度差值。3正交试验的数理统计分析3.1各因素c对各离子差分析表按照正交表进行四次试验,每次试验各因素对应水平作为动力学仿真输入条件进行仿真试验,统计各次仿真试验数值如表3“仿真值”栏目所示,之后进行数理统计运算,并将运算结果列表,如表3所示。表3中试验号1对应的试验状态为A、B、C三因素分别处于水平1状态,试验干涉量一栏则记录了该次仿真试验时,锁系同步性差值Yi。其中:Κ=4∑i=1Yi‚Ρ=14Κ2‚W=4∑i=1Y2iUA=122∑i=1(ΚAi)2‚UB=122∑i=1(ΚBi)2‚UC=122∑i=1(ΚCi)2‚QA=UA-Ρ‚QB=UB-Ρ‚QC=UC-ΡK=∑i=14Yi‚P=14K2‚W=∑i=14Y2iUA=12∑i=12(KAi)2‚UB=12∑i=12(KBi)2‚UC=12∑i=12(KCi)2‚QA=UA−P‚QB=UB−P‚QC=UC−P计算总离差平方和QT=W-P=0.02215误差Q=QT-QA-QB-QC=0由于因素C计算离差平方和仅为0.000225,故可以确认因素C对指标影响不大,将其归结为误差级别,据此计算得方差分析表如表4所示。其中:S2=Q/n;F=S2/S2E。给定显著水平α=0.025;查F分布上侧分位数表得F0.025(1‚2)=38.51；对照表4数值,显然:FA=35.28＜F0.025(1‚2)=38.51‚FB=159.61＞F0.025=38.51。3.2锁系同步性影响因素的影响通过正交试验计算结果可知,在显著性水平0.025下,A因素(钢索预紧力)对锁系同步性无显著影响,B因素(绳轮间摩擦系数)对锁系同步性的影响显著,而C因素(锁钩间摩擦系数)对锁系同步性的影响很小。依据以上量化分析结果,为提高对接锁系运动同步性,应以调整B因素(绳轮间摩擦系数)为主,且从仿真试验结果看,绳轮间摩擦系数的减小将使得对接锁系同步性变好。4提高锁系运动同步性的关键因素本文通过采用正交试验的方法合理设计仿真试验,从而