本發(fā)明涉及深空探測航天器著陸沖擊緩沖預(yù)示技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種彈塑性彎曲變形限力結(jié)構(gòu)的建模方法。

背景技術(shù)：

深空探測航天器著陸沖擊緩沖是指航天器在地外天體表面著陸時，通過緩沖機構(gòu)設(shè)計減緩著陸過程對航天器本體的沖擊，保障航天器著陸過程的安全和穩(wěn)定。腿式著陸緩沖機構(gòu)是深空探測航天器的一種重要緩沖形式，其包含“懸臂式”和“倒三角架式”兩種構(gòu)型。“倒三角架式”由于收攏緊湊等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于收攏要求較高的火星探測領(lǐng)域，如美國的海盜號、鳳凰號、歐洲正在論證的exomars。我國火星著陸探測器同樣采用“倒三角架式”構(gòu)型，其由兩根多功能支柱、一根支撐支柱、足墊和壓緊釋放裝置四部分組成。兩根多功能支柱完全相同，具備展開收攏和緩沖吸能功能，支撐桿僅起到維持構(gòu)型的功能。在部分惡劣工況下，當(dāng)多功能支柱拉桿不能吸收能量時，載荷可通過足墊直接傳入支撐桿，使得經(jīng)由支撐桿傳入結(jié)構(gòu)的載荷過大。為了避免對限力結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過高載荷沖擊，往往在支撐桿根部安裝一彈塑性梁方式的限力結(jié)構(gòu)進(jìn)行緩沖。

彈塑性限力結(jié)構(gòu)受力作用將產(chǎn)生材料彎曲變形，從而起到限力緩沖作用。限力結(jié)構(gòu)的彎曲變形直接影響著陸沖擊過程傳入著陸探測器本體的載荷大小，也影響著“倒三角架式”探測器其他兩根多功能支柱的緩沖行程分配。這種彈塑性變形限力結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確?；侵憶_擊緩沖預(yù)示的基礎(chǔ)。一般來說，彈塑性材料由于其非線性特征，通常采用ansys、dytran、abaqus等有限元軟件，通過非線性動力學(xué)瞬態(tài)響應(yīng)法直接求解。然而，深空探測著陸沖擊緩沖預(yù)示需針對未知地形條件、控制偏差條件等著陸狀態(tài)進(jìn)行大規(guī)模的分析計算，有限元方法直接求解著陸過程的非線性瞬態(tài)響應(yīng)，需建立整個著陸系統(tǒng)的有限元模型，分析耗時過長，無法滿足工程需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種彈塑性彎曲變形限力結(jié)構(gòu)的建模方法，解決了有限元方法直接求解彈塑性材料非線性特征耗時過長的問題，能夠適用于深空探測航天器著陸沖擊緩沖預(yù)示，具有很好的使用效果。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種彈塑性彎曲變形限力結(jié)構(gòu)的建模方法，包括如下步驟：

(1)建立不包括限力結(jié)構(gòu)的著陸探測器多體動力學(xué)模型；

(2)使用虛質(zhì)量體與著陸探測器本體轉(zhuǎn)動副連接，轉(zhuǎn)動副方向與實際著陸探測器中限力結(jié)構(gòu)、支撐桿轉(zhuǎn)動副方向一致，同時虛質(zhì)量體與支撐桿滑動副連接，滑動副方向沿支撐桿軸向，著陸探測器本體與支撐桿間為沿支撐桿軸向的力fx；所述的fx等于實際著陸探測器中著陸探測器本體與支撐桿間的作用力或反作用力；

(3)測量虛質(zhì)量體沿滑動副方向的速度方向，進(jìn)而得到實際著陸探測器中限力結(jié)構(gòu)承受力方向；所述的承受力包括拉力或壓力；

(4)測量虛質(zhì)量體沿滑動副方向的位移，得到實際著陸探測器中當(dāng)前承受力下限力結(jié)構(gòu)的實際變形量為虛質(zhì)量體沿滑動副方向的位移，獲取實際著陸探測器中限力結(jié)構(gòu)對應(yīng)材料的彈性變形量，進(jìn)而計算得到實際著陸探測器中限力結(jié)構(gòu)的塑性變形量，其中，塑性變形量＝實際變形量-彈性變形量；

(5)重復(fù)步驟(2)-步驟(4)完成實際著陸探測器中所有限力結(jié)構(gòu)動力學(xué)建模；

(6)根據(jù)不包括限力結(jié)構(gòu)的著陸探測器多體動力學(xué)模型、所有限力結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型得到著陸探測器多體動力學(xué)模型，進(jìn)而仿真得到著陸探測器所有限力結(jié)構(gòu)的變形曲線、限力結(jié)構(gòu)受力曲線。

所述的虛質(zhì)量體的1個初始位置為實際著陸探測器中支撐桿與限力結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動副連接的位置點。

所述的實際著陸探測器中著陸探測器本體與支撐桿間的作用力或反作用力fx遵循彈塑性變形理論。

所述的仿真得到著陸探測器所有限力結(jié)構(gòu)的變形曲線、限力結(jié)構(gòu)受力曲線為通過多體動力學(xué)軟件實現(xiàn)。

所述的著陸探測器為倒三角式著陸探測器。

所述的著陸探測器包括著陸探測器本體、四套倒三角架式著陸緩沖機構(gòu)，倒三角架式著陸緩沖機構(gòu)包括2根多功能支柱、1個支撐桿、1個足墊，多功能支柱一端與著陸探測器本體胡克鉸連接，另一端與足墊為球鉸連接，支撐桿一端與足墊為固支連接，另一端與限力結(jié)構(gòu)一端轉(zhuǎn)動副連接，限力結(jié)構(gòu)另一端與著陸探測器本體固支連接。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：

(1)本發(fā)明方法與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠在多體動力學(xué)建模中處理具有彈塑性彎曲變形特征的限力結(jié)構(gòu)，避免了彎曲變形彈塑性材料建模分析使用有限元程序帶來的耗時冗長的問題，能偶大大提升求解速度，具有計算效率高、耗時少，滿足深空探測航天器著陸沖擊緩沖預(yù)示需求、工程實用性強的優(yōu)點；

(2)本發(fā)明方法通過與多功能支柱模型、足墊模型結(jié)合，能夠完整描述“倒三角架式”緩沖結(jié)構(gòu)的沖擊緩沖力學(xué)特性，進(jìn)而求解完整的著陸探測器沖擊緩沖問題；

(3)本發(fā)明方法與現(xiàn)有技術(shù)相比，通過將限力結(jié)構(gòu)的彎曲變形效應(yīng)轉(zhuǎn)化為著陸探測器本體與支撐桿間的線變形效應(yīng)，解決了深空探測航天器著陸沖擊緩沖建模問題，具有高效實用的優(yōu)點。

附圖說明

圖1為限力結(jié)構(gòu)與著陸探測器本體、支撐桿的連接關(guān)系；

圖2為限力結(jié)構(gòu)與著陸探測器本體、支撐桿的約束力學(xué)關(guān)系；

圖3為限力結(jié)構(gòu)加載卸載力學(xué)特性；

圖4為著陸探測器著陸示意圖；

圖5為某深空著陸探測器限力結(jié)構(gòu)變形曲線；

圖6為某深空著陸探測器限力結(jié)構(gòu)受力曲線。

具體實施方式

彈塑性彎曲變形限力結(jié)構(gòu)建模分析的困難在于采用求解效率高、滿足工程需求的多體動力學(xué)建模方法的同時，既要準(zhǔn)確表征限力結(jié)構(gòu)彎曲變形的彈塑性特性，又要滿足限力結(jié)構(gòu)與各部分的連接關(guān)系。一般情況下，限力結(jié)構(gòu)一端與著陸探測器本體固支連接，另一端與支撐桿通過轉(zhuǎn)動副連接，進(jìn)而得到彈塑性彎曲變形限力結(jié)構(gòu)建模為：既要將限力后的載荷傳入探測器本體，又要在受力作用下實現(xiàn)支撐桿與著陸探測器本體間的相對姿態(tài)演化，正確描述探測器本體與限力結(jié)構(gòu)、支撐桿間的約束及力學(xué)關(guān)系，是建模的關(guān)鍵。

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種彈塑性彎曲變形限力結(jié)構(gòu)的建模方法，即在“倒三角架式”緩沖結(jié)構(gòu)受力分析基礎(chǔ)上，將限力結(jié)構(gòu)的彎曲變形效應(yīng)轉(zhuǎn)化為著陸探測器本體與支撐桿間的線變形效應(yīng)，并引入限力結(jié)構(gòu)虛質(zhì)量體、建立約束和力學(xué)關(guān)系表征限力結(jié)構(gòu)與著陸探測器本體及支撐桿的連接，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

如圖1所示為限力結(jié)構(gòu)與著陸探測器本體、支撐桿的連接關(guān)系，從結(jié)構(gòu)上看，限力結(jié)構(gòu)一端與著陸探測器本體固支連接，另一端與支撐桿轉(zhuǎn)動副連接，限力結(jié)構(gòu)受力作用將產(chǎn)生以限力結(jié)構(gòu)、著陸探測器本體固支連接點為原點的彎曲變形，彎曲變形方向是任意且時變的；通過限力結(jié)構(gòu)的受力分析可發(fā)現(xiàn)，限力結(jié)構(gòu)的受力均經(jīng)由足墊、支撐桿傳遞，而支撐桿傳遞載荷方向均沿軸向，因此可確定限力結(jié)構(gòu)的唯一受力方向沿支撐桿軸向，即限力結(jié)構(gòu)與支撐桿間為沿支撐桿軸向的作用力與反作用力。因此，限力結(jié)構(gòu)的彎曲變形可采用時刻沿支撐桿軸線方向的線變形表征，限力結(jié)構(gòu)與支撐桿間的作用力和反作用力即對應(yīng)于彈塑性變形的彈塑性變形力，力的方向時刻沿支撐桿軸向，作用點位于支撐桿頂部與限力結(jié)構(gòu)連接處。線變形與彈塑性變形力的關(guān)系，可通過單獨對限力結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模獲得，也可通過試驗測量獲得。

由于限力結(jié)構(gòu)變形的存在，采用多體動力學(xué)方法建模時，無法將限力結(jié)構(gòu)直接作為剛體建模以表征限力結(jié)構(gòu)與著陸探測器本體及支撐桿間的連接與約束關(guān)系，為了表征限力結(jié)構(gòu)在著陸探測器中與其他部件的連接和約束關(guān)系，并保證限力結(jié)構(gòu)與支撐桿間的線變形方向沿支撐桿軸向，本發(fā)明方法引入虛質(zhì)量體，并采用如下方法進(jìn)行連接：虛質(zhì)量體與著陸探測器本體轉(zhuǎn)動副連接以表征限力結(jié)構(gòu)一端與著陸探測器本體固支連接，另一端與支撐桿通過轉(zhuǎn)動副連接；虛質(zhì)量體與支撐桿間沿支撐桿軸向滑動副連接以指定限力結(jié)構(gòu)彈塑性變形方向；著陸探測器本體與支撐桿間沿支撐桿軸向為作用力與反作用力關(guān)系以表征限力桿的彈塑性變形受力大小。采用以上連接方式，一方面滿足了限力結(jié)構(gòu)與各部分的連接關(guān)系，另一方面，約束了限力結(jié)構(gòu)與支撐桿間的線變形及變形力方向，將方向時變的彎曲變形轉(zhuǎn)化為由方向時變的支撐桿軸向方向線變形進(jìn)行表征。

根據(jù)上述建模可以得到，本發(fā)明方法通過使限力結(jié)構(gòu)受力方向為時刻與支撐桿軸向保持一致，將限力結(jié)構(gòu)的彎曲變形問題轉(zhuǎn)化為沿支撐桿軸向的線變形問題；通過引入虛質(zhì)量體替代限力結(jié)構(gòu)實體，建立相應(yīng)的約束和力學(xué)關(guān)系，表征限力結(jié)構(gòu)的實際連接關(guān)系及限力結(jié)構(gòu)的彈塑性力學(xué)特性，下面結(jié)合實例對本發(fā)明方法進(jìn)行更詳細(xì)的解釋和說明。

本發(fā)明以某型號深空探測“倒三角式”著陸探測器為例進(jìn)行說明，如圖1所示為限力結(jié)構(gòu)與著陸探測器本體、支撐桿的連接關(guān)系，其中，①為著陸探測器本體，②為限力結(jié)構(gòu)，③為支撐桿，該型號著陸探測器包括著陸探測器本體、四套“倒三角架式”著陸緩沖機構(gòu)，每套著陸緩沖機構(gòu)包括兩根多功能支柱(兼具收攏、展開與緩沖功能的支柱)、一根支撐桿、一個足墊，多功能支柱與著陸本體為胡克鉸連接，多功能支柱與足墊為球鉸連接，支撐桿與足墊為固支連接，限力結(jié)構(gòu)一端與著陸探測器本體固支連接，另一端與支撐桿通過轉(zhuǎn)動副連接，本發(fā)明一種彈塑性彎曲變形限力結(jié)構(gòu)的建模方法，具體實施步驟如下：

(1)建立不包括限力結(jié)構(gòu)的著陸探測器多體動力學(xué)模型。

(2)將著陸探測器的限力結(jié)構(gòu)實體以虛質(zhì)量體替代，虛質(zhì)量體的初始位置為支撐桿頂端(即支撐桿與限力結(jié)構(gòu)實體通過轉(zhuǎn)動副連接的位置點)。

(3)設(shè)置虛質(zhì)量體、著陸探測器本體、支撐桿間的約束和力學(xué)關(guān)系：虛質(zhì)量體與著陸探測器本體轉(zhuǎn)動副連接，轉(zhuǎn)動副方向與限力結(jié)構(gòu)與支撐桿間轉(zhuǎn)動副方向一致；虛質(zhì)量體與支撐桿間滑動副連接，滑動副方向沿支撐桿軸向，著陸探測器本體與支撐桿間為沿支撐桿軸向的作用力與反作用力(即添加依賴于彈塑性變形量的著陸探測器本體與支撐桿間的作用力與反作用力fx，如圖3所示為限力結(jié)構(gòu)加載卸載力學(xué)特性，該力與彈塑性變形量有關(guān)，加載卸載過程遵循彈塑性變形理論)，如圖2所示為限力結(jié)構(gòu)與著陸探測器本體、支撐桿的約束力學(xué)關(guān)系，joint1為虛質(zhì)量體與探測器本體在支撐桿頂部以轉(zhuǎn)動副連接，joint2為虛質(zhì)量體與支撐桿間滑動副連接，sforce1為著陸探測器本體與支撐桿間沿支撐桿軸向的作用力與反作用力。

(4)測量虛質(zhì)量體沿滑動副的速度方向，進(jìn)而得到限力結(jié)構(gòu)承受為拉力或壓力。

(5)測量虛質(zhì)量體沿滑動副方向的位移，記錄實際過程中在當(dāng)前承受力情況下限力結(jié)構(gòu)的實際變形量、彈性變形量、塑性變形量，其中，塑性變形量＝實際變形量-彈性變形量。

(6)重復(fù)步驟(2)-步驟(5)完成著陸探測器所有限力結(jié)構(gòu)動力學(xué)建模。

(7)使用adams等商用多體動力學(xué)軟件根據(jù)步驟(1)-步驟(6)得到著陸探測器動力學(xué)模型，仿真計算得到著陸探測器所有限力結(jié)構(gòu)變形曲線、限力結(jié)構(gòu)受力曲線。下面結(jié)合實施例對本發(fā)明方法進(jìn)行更詳細(xì)的解釋說明。

實施例一

某深空著陸探測器，共采用四組“倒三角架式”著陸緩沖機構(gòu)，限力結(jié)構(gòu)材料為超塑性鋼，限力結(jié)構(gòu)彈塑性變形力學(xué)特性曲線由dytran軟件通過單根限力結(jié)構(gòu)仿真獲得。

采用adams多體動力學(xué)軟件建立著陸探測器多剛體動力學(xué)模型，并按以上實施步驟建立限力結(jié)構(gòu)模型，形成完整的著陸探測器沖擊緩沖預(yù)示模型。著陸探測器以垂直速度3.6m/s、水平速度1m/s、著陸至坡度為8°的斜坡表面，表面摩擦系數(shù)為1.0。如圖4所示為著陸探測器著陸示意圖，獲得的限力結(jié)構(gòu)變形曲線如圖5所示，限力結(jié)構(gòu)受力曲線如圖6所示，圖5中以模型初始構(gòu)型點為基準(zhǔn)，彈塑性變形為正表示壓縮變形，彈塑性變形為負(fù)為拉伸變形。著陸緩沖機構(gòu)1最先著陸，限力結(jié)構(gòu)1發(fā)生彎曲變形，轉(zhuǎn)換為線性壓縮變形后最變形量達(dá)到44.5mm。達(dá)到最變形量后，彈塑性變形力卸載，彈塑性變形量退回至42mm。限力結(jié)構(gòu)2～4均遵循此規(guī)律；圖中限力結(jié)構(gòu)2和限力結(jié)構(gòu)4雖然著陸姿態(tài)上對稱，但著陸探測器質(zhì)心偏心導(dǎo)致其彈塑性變形量具有差異，圖6中變形力為正表示壓縮作用，變形力為負(fù)表示拉伸作用，由圖中可以看出本發(fā)明方法可有效的表征限力結(jié)構(gòu)的加載卸載力學(xué)特性，最終著陸探測器在斜坡表面穩(wěn)定，限力結(jié)構(gòu)提供穩(wěn)定的支撐力作用。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明方法計算2s的著陸沖擊緩沖過程耗時幾十秒，仿真效率非常高，適合著陸沖擊過程仿真預(yù)示分析。

本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。