本文探討了SolidWorks下對衛(wèi)星振動壓環(huán)的優(yōu)化設計相關內容。

　　1 前言

　　以前衛(wèi)星在做振動試驗中，大多采用星箭適配器底面的振動響應包絡曲線作為輸入條件，即星箭適配器一同參與振動試驗。在衛(wèi)星及火箭的制造流程中，星箭適配器是屬于火箭的一部分，因此在針對衛(wèi)星的振動試驗中，為了更好的反映衛(wèi)星個體的振動響應特性，應去除星箭適配器對于整星振動特性的影響，因此將輸入條件上移到星箭分離面是最合理的。目前，越來越多的衛(wèi)星均采用不帶星箭適配器的振動試驗模式。這種模式要求振動夾具與衛(wèi)星的連接采用模擬包帶壓緊的方式，振動壓環(huán)就起到了這一作用。目前振動壓環(huán)在使用中主要存在的缺陷有：

　　(1)配合面制造誤差引起壓不緊、虛壓現(xiàn)象;

　　(2)壓環(huán)容易徑向變形導致無法安裝。

　　這兩個問題都會導致試驗無法進行，或者試驗結果誤差過大。為了解決這兩個主要問題，必須從設計層面進行優(yōu)化。有限元法用于結構的靜力及剛度分析計算十分有效[1]，本文利用Solidworks軟件，通過對壓環(huán)設計的優(yōu)化設計及有限元分析，探討了提高壓環(huán)抗變形能力和增加預緊力的途徑。

　　2壓環(huán)優(yōu)化設計

　　2.1 壓環(huán)結構

　　衛(wèi)星的星箭分離環(huán)下法蘭為一斜面，通過與包帶斜面的配合將其壓緊在星箭適配器上法蘭上(見圖1、2)。圖2中星箭分離環(huán)上端面與衛(wèi)星相連，星箭適配器下端面與火箭相連，從而形成發(fā)射時的狀態(tài)。

圖1：星箭分離面示意圖

圖2：分離環(huán)與適配器裝配示意圖

　　為了模擬圖1的連接方式，振動夾具上必須有一帶有斜面的壓環(huán)將星箭分離面壓緊在夾具上。在設計中，一般都是通過壓環(huán)的斜面與星箭分離環(huán)下法蘭斜面接觸，然后壓環(huán)通過螺釘緊固在夾具平面上(見圖3、4)，而星箭分離環(huán)此時通過斜面的下壓產(chǎn)生預警力，起到固定作用。

圖3：壓環(huán)示意圖

圖4：壓環(huán)與夾具裝配示意圖

　　2.2 壓環(huán)優(yōu)化設計

　　本設計取衛(wèi)星的星箭分離環(huán)斜面角度為20?，壓環(huán)為了與其配合，斜面的角度有20?和小于20?兩種選擇。前者必須使壓環(huán)的高度比計算高度小，后者壓環(huán)的高度可與計算高度相等。兩種方法在預警原理上是相同的，安裝后，壓環(huán)都具有一定程度的上翹(一般相對于夾具上平面的夾角為0.5°～1°)，其與夾具的接觸為線接觸，上翹后形成的空間正好形成了橋梁效應，將螺釘?shù)南聣毫鬟f給星箭分離環(huán)斜面以及壓環(huán)與夾具的接觸部位。本文選用的斜面角度為19.5?，壓環(huán)高度與計算相當。

　　預緊力不足主要是由于配合斜面制造誤差引起的，角度偏大會使上翹角度變小，嚴重影響橋梁效應傳遞力的能力，甚至形成虛壓;而角度偏小會使上翹角度變大，這樣很可能會使螺孔無法對準，造成螺釘擰不進的情況。我們將壓環(huán)設計改成階梯狀，力圖加大與夾具上平面之間的空間，使其不用上翹即可形成橋梁效應，這樣可大大降低斜面加工角度偏大造成的影響。壓環(huán)改成階梯狀后在加工中只需使斜面角度不偏小即可，這比角度偏大和偏小都要控制的情況難度低得多，且不容易形成加工錯誤。壓環(huán)優(yōu)化前后截面圖及裝配示意圖見圖5～8。

圖5：優(yōu)化前壓環(huán)斷面

圖6：優(yōu)化后壓環(huán)斷面

圖7：優(yōu)化前裝配示意圖

圖8：優(yōu)化后裝配示意圖

　　一般壓環(huán)在設計中為了安裝，通常截為三段，即每隔120?為一段，這樣在加工時是較為簡便的，其靠模只需約束幾個點，使其在截斷后不變形即可。但是這種方法每一段的長度較長，對于桿件來說，在橫截面一定時，長度越大剛度越小，壓環(huán)作為弧形結構，本身具有徑向伸直的趨勢，因此它在制作完成后，其每一段都會留有一定程度的徑向回復應力。振動試驗是一個應力釋放的過程，在試驗中由于壓環(huán)有螺釘?shù)募s束，被釋放的徑向回復應力將在壓環(huán)中累積，一旦螺釘松開，壓環(huán)處于自由狀態(tài)，累積的徑向回復應力將得到釋放，如果壓環(huán)自身剛度過低就會發(fā)生變形。在以往壓環(huán)的使用中經(jīng)常發(fā)生兩端沿徑向外伸的變形現(xiàn)象，導致螺孔孔錯位而無法安裝。我們經(jīng)分析比較后確定將壓環(huán)設計為12段，即每30?一段，這樣每段的長度將非常有限，可大大加強剛度，防止變形。此外由于12段方式壓縮了長度空間，更有利于運輸和攜帶，壓環(huán)優(yōu)化前后示意圖見圖9、10。

圖9：優(yōu)化前壓環(huán)示意圖

圖10：優(yōu)化后壓環(huán)示意圖

　　3 分析與比較

　　3.1 壓環(huán)剛度對比分析

　　為了增加壓環(huán)的剛度，必須縮短其單根長度，這樣就需要將壓環(huán)截為更多段。我們針對3段到16段中能夠被360度除盡的段數(shù)進行了模態(tài)分析及靜力分析，因為這些樣本在加工中較易實現(xiàn)。力圖通過分析剛度比及靜位移量曲線圖，從剛度和抗變形能力兩方面來找出壓環(huán)的優(yōu)化分段方式。

　　3.1.1 模態(tài)分析

　　此次模態(tài)分析使用cosmos軟件作為求解器，材料取普通碳鋼，其主要參數(shù)為：彈性模量210GPa、泊松比0.28、密度7800Kg/m3。由于壓環(huán)的應力釋放和變形主要是在螺釘卸除后的自由狀態(tài)發(fā)生，且都為徑向彎曲變形。為了使各段模態(tài)振型一致(徑向彎曲振型)，便于比較，采用約束模態(tài)方式針對3段、4段、5段、6段、8段、9段、10段、12段、15段、16段共10個工況計算其一階模態(tài)，約束狀態(tài)模擬端部螺釘緊固其余螺釘松開的情況，即限制每段壓環(huán)端部的三個平動以及底部的軸向平動。經(jīng)求解3段方式一階振型及頻率見圖11，各段方式一階頻率及與3段方式質量比見表1。

圖11：3段方式剛度

　　在模態(tài)分析中，設壓環(huán)無其它類型振動的參與，理想化為簡諧振動。簡諧振動頻率計算公式[2]如下：

(1)

　　式中k為剛度、m為質量、f0為固有頻率。設3段方式固有頻率為f3，剛度為k3，質量為m3;其余各段固有頻率為fn，剛度為kn，質量為mn。

　　將f3、k3、m3代入式(1)得：

(2)

　　將fn、kn、mn代入式(1)得：

(3)

　　將式(2)除以式(3)得：

(4)

　　將表1帶入式(4)，可得各段與3段方式的剛度比，見表2。

　　將表2數(shù)據(jù)做成散點折線圖，見圖12。

圖12：各段剛度比散點折線圖

　　3.1.2 靜力分析

　　靜力分析力圖模擬在徑向回復力的作用下，各段壓環(huán)的位移情況。影響壓環(huán)回復力大小的因素很多，如切削方式、截斷情況、熱處理條件等。每段回復力的具體數(shù)值是無法通過計算求出的，因此只能通過假設進行定性分析，為每段壓環(huán)的自由端面施加1000N的徑向力，約束方式與模態(tài)分析相同，計算自由端在相同受力情況下的最大位移量，并作趨勢分析。經(jīng)求解3段方式靜位移量見圖13，各段方式靜位移量見表3。

圖13：3段方式位移量

　　將表3數(shù)據(jù)做成散點折線圖，見圖14。

圖14：各段位移量散點折線圖

　　3.1.3 結論

　　從圖12可以看出曲線在12段處開始剛度有了較大幅度的提升，其剛體化趨勢相當明顯。從圖14可以看出在承受相同徑向回復力的情況下，從8段處開始變形位移量的變化明顯變小，這就說明8段之后的分段方式對于抗變形能力的提升貢獻并不顯著。由此可得，從剛性角度來看，應選擇12段之后的分段方式，從抗變形角度來看應選擇8段之后的分段方式，由于壓環(huán)是衛(wèi)星振動試驗中的關鍵部件，具有多次重復使用的要求，在保守原則的前提下，我們做了交集，選擇12段為壓環(huán)優(yōu)化分段方式。

　　3.2 壓環(huán)預緊分析與比較

　　為了驗證優(yōu)化前后斜面加工角度偏大對于星箭分離環(huán)預緊力的差別，我們取出壓環(huán)與星箭分離環(huán)裝配狀態(tài)中的一小段作為分析對象，分別針對斜面角度19.5°、19.8°、20°進行對比靜力分析。分析中將底部的夾具用底面約束來代替，通過在壓環(huán)頂面螺釘安裝位加載100N的壓力，計算星箭分離環(huán)斜面的豎直向受力情況，因為豎直向分力在分離環(huán)的預緊中起主要作用。約束情況見圖15、圖16，計算結果見表4。

圖15：優(yōu)化前約束情況

圖16：優(yōu)化后約束情況

　　將表4數(shù)據(jù)做成散點折線圖，見圖17。

圖17：優(yōu)化前后豎直向受力散點折線圖

　　從圖中可以看出，在19.5?和19.8?兩個工況下，優(yōu)化前后星箭分離環(huán)斜面的受力情況基本一致，都占了施加載荷的40%左右，應該說橋梁效應在這兩個工況上優(yōu)化前后都得到了體現(xiàn)。而20?這個工況，優(yōu)化前斜面受力下降明顯，優(yōu)化后只是略有下降，前者受力占總施加載荷的8%，后者受力占總施加載荷的37%，在這一工況下優(yōu)化前無法形成橋梁效應，施加的載荷絕大部分由夾具承受，預緊力大大降低，而優(yōu)化后雖然受力也有所下降，但幅度不大，仍然能夠體現(xiàn)橋梁效應，起到很好的預緊效果。出現(xiàn)這種情況主要是由于20?時，壓環(huán)底面基本與夾具緊貼，優(yōu)化前螺釘緊固位置已無騰空距離而優(yōu)化后的階梯結構使得螺釘緊固位置還留有足夠的騰空距離，因此優(yōu)化后的受力情況會大大好于優(yōu)化前。

　　對于衛(wèi)星振動試驗來說，衛(wèi)星與夾具的連接必須滿足跟隨條件[3],壓環(huán)對衛(wèi)星預緊力不足就會破壞這一條件，使兩者之間無法保持緊密接觸。這會導致試驗結果產(chǎn)生較大的誤差，甚至在試驗中出現(xiàn)撞擊聲。在對星箭分離環(huán)的預緊力上，優(yōu)化前后對于加工精度較高的壓環(huán)來說幾乎沒有什么區(qū)別，兩種方法都能起到極好的預緊效果，而在加工精度不夠的情況下，優(yōu)化后的適應能力更強，大大減小了加工誤差對壓環(huán)使用效果的影響。

　　4 總結

　　本文針對壓環(huán)壓不緊和易變形這兩個主要問題進行了有限元分析。在實際振動試驗中采用了優(yōu)化設計方法，衛(wèi)星的一階頻率較壓環(huán)優(yōu)化前有了明顯的提高。此外在多次拆裝壓板中并沒有再出現(xiàn)因壓板變形使螺孔對不上的情況。壓環(huán)作為衛(wèi)星不帶星箭適配器進行振動試驗的必備件，它的好壞直接影響著衛(wèi)星振動試驗的成功與否。在壓環(huán)優(yōu)化設計后雖然解決了兩大突出問題，但對于星箭分離環(huán)的預緊力仍是不可調的，還無法完全模擬包帶的預緊力狀態(tài)，為了使試驗更接近真實情況，還需進一步深入的研究。

　　[參考文獻]

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　　[2] 奚德昌，趙欽淼. 振動臺及振動試驗. 北京：機械工業(yè)出版社. 1985. 16-17

　　[3] 朱彥彬，等. 結構振動試驗轉接器的設計及安裝問題. 真空電子技術，2006，(3)：47 - 49