專利名稱：一種模塊化衛(wèi)星壓緊參數(shù)的確定方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種模塊化衛(wèi)星各模塊用螺桿連接壓緊時壓緊參數(shù)的確定方法。
背景技術：
模塊化衛(wèi)星由于接口簡單、研制快速、便于更換等特點而初步得到應用，是一種具 有發(fā)展前景的小型衛(wèi)星。模塊化衛(wèi)星一般是由多個相對獨立的功能模塊組成的，各模塊結(jié) 構(gòu)通過多根螺桿上下貫穿連接起來成為一個衛(wèi)星整體。模塊化衛(wèi)星的整體剛度主要是由壓 緊螺桿施加預緊力來保證的。因此，模塊化衛(wèi)星中，正確確定螺桿的直徑尺寸和預緊力是保 證衛(wèi)星整體剛度和安全承受外部載荷的重要手段。模塊化衛(wèi)星壓緊參數(shù)設計的主要內(nèi)容為分析、確定壓緊螺桿直徑尺寸以及擰緊 力。進行模塊化衛(wèi)星螺桿參數(shù)的分析與確定不同于一般設備安裝螺栓的選擇設計模塊化 衛(wèi)星需要考慮確定的螺桿參數(shù)要保證承載過程中各模塊不分離，即一直處于壓縮狀態(tài)，而 一般設備為一整體，受力可以為拉伸或壓縮狀態(tài)；模塊化衛(wèi)星的螺桿不直接與固定邊界相 連(底部模塊與運載火箭連接的機構(gòu)為固定邊界)，受力變形復雜，不能按一般設備(其連 接螺栓與邊界相連)連接螺栓的分析方法進行計算。目前，由于模塊化衛(wèi)星為新型的衛(wèi)星 結(jié)構(gòu)形式，其整體壓緊參數(shù)還沒有直接的分析指導方法，模塊化衛(wèi)星壓緊參數(shù)的選擇確定 主要靠經(jīng)驗，最后借助試驗驗證，這種分析設計模式主要存在如下不足(1)設計保守或設 計不足。由于憑經(jīng)驗設計，選擇往往趨于偏保守而非合理，造成很大的設計余量，形成浪費， 如選擇過大直徑的螺桿、施加擰緊力過大等；或者由于經(jīng)驗不足，選擇的螺桿直徑不足，或 施加的擰緊力過小，造成在外載荷力作用失效、破壞，造成損失。( 設計往復性。如果憑經(jīng) 驗設計，可能造成設計的剛度不足，不能經(jīng)過試驗驗證，則需要重新設計選擇，帶來設計的 往復性，拖延了研制的進度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術解決問題是克服現(xiàn)有技術的不足，提供了一種模塊化衛(wèi)星所用壓 緊螺桿參數(shù)和擰緊力的計算、確定方法，可以解決模塊化衛(wèi)星的螺桿壓緊靠經(jīng)驗設計而帶 來的設計保守或設計不足的問題，減少設計的往復性，優(yōu)化衛(wèi)星的重量。本發(fā)明的技術解決方案是一種模塊化衛(wèi)星壓緊參數(shù)確定方法，步驟如下(1)確定衛(wèi)星整體所受的縱向載荷大小F,和橫向載荷大小Fh ；(2)確認衛(wèi)星總體設計時選定的螺桿數(shù)量n，并根據(jù)各衛(wèi)星模塊高度之和確定螺 桿長度L ；(3)計算縱向載荷F,作用下衛(wèi)星整體結(jié)構(gòu)對應各螺桿處的位移和各螺桿安裝處的 衛(wèi)星結(jié)構(gòu)剛度系數(shù)，并據(jù)此計算為保證衛(wèi)星模塊之間壓緊所需的螺桿直徑尺寸D1 ；(4)依據(jù)螺桿擰緊力產(chǎn)生的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)壓縮位移大于縱向載荷F,作用下螺桿附加拉 伸位移的準則，計算縱向載荷F,作用下為保證衛(wèi)星模塊之間壓緊不分離所需的螺桿擰緊力 F1;
(5)計算橫向載荷Fh作用下衛(wèi)星模塊間的最大橫剪切力，并據(jù)此計算為保證衛(wèi)星 模塊之間壓緊所需的螺桿直徑尺寸D2 ；(6)計算橫向載荷Fh作用下為保證衛(wèi)星模塊之間壓緊不滑動所需的螺桿擰緊力
F2;(7)根據(jù)步驟(3)和步驟(5)的結(jié)果，取D1和D2中的較大值作為最終所需的最小 螺桿直徑；(8)根據(jù)步驟⑷和步驟(6)的結(jié)果，取F1和F2中的較大值作為最終所需的最小 螺桿擰緊力。所述步驟(3)中計算D1的方法為將模塊化衛(wèi)星按整體結(jié)構(gòu)進行有限元建模，計 算得到各螺桿安裝處的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)剛度系數(shù)和縱向載荷F,作用下衛(wèi)星整體結(jié)構(gòu)對應各螺 桿處的位移屮，然后按公式A彡{-(σ * L+ai*E)+SQRT[(o * L+屮* Ε) 2+6 σ * L * Eii 女Ε]}/(2σ女E/kn)計算出螺桿的最小截面積Α，再依據(jù)截面積A求出最小螺桿直徑，按 螺紋標準目錄選擇滿足最小螺桿直徑的標準螺桿直徑作SD1 ；式中SQRT為求平方根，σ為 螺桿許用應力，E為螺桿材料模量，a,為衛(wèi)星整體結(jié)構(gòu)在Ftl作用下對應第i螺桿處的位移， kn為第i根螺桿安裝處的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)剛度系數(shù)。所述步驟(4)中計算F1的方法為按公式F = 1. 5 * L * kn/(L+A * E/kn)計 算，確定原則是保證縱向載荷F,作用下衛(wèi)星結(jié)構(gòu)一直處于壓縮狀態(tài)而不分離，并考慮1. 5 倍的余量系數(shù)。所述步驟(5)中計算&的方法為將模塊化衛(wèi)星按整體結(jié)構(gòu)進行有限元建模，計 算得到橫向載荷Fh作用下模塊間的最大總剪切力Ftp，按公式A彡1. 5Ftp/(n * f * σ )計 算螺桿最小截面積Α，再依據(jù)截面積A求出最小螺桿直徑，按螺紋標準目錄選擇滿足最小螺 桿直徑的標準螺桿直徑作為D2 ；式中為根據(jù)Fh獲取的模塊間的總剪切力，f為接觸面間 的摩擦系數(shù)。所述步驟(6)中計算F2的方法為按公式F=L 5Ftp/(n * f)計算，確定原則是 保證橫向載荷Fh作用下螺桿擰緊力產(chǎn)生的模塊接觸面間摩擦力大于模塊間橫向總剪切力， 使衛(wèi)星模塊間不滑動，并考慮1. 5倍的余量系數(shù)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于(1)本發(fā)明方法對于模塊化衛(wèi)星，按整體結(jié)構(gòu)進行有限元計算所需要的剛度系數(shù) 和外載荷作用下的拉伸位移，對螺桿進行擰緊力以及外載荷下附加拉伸力的分析和位移分 析。這種把衛(wèi)星結(jié)構(gòu)和螺桿分開進行受力分析計算、再把二者結(jié)合進行變形協(xié)調(diào)分析的方 法解決了無法直接利用有限元工具進行模塊化衛(wèi)星壓緊力學分析的問題；(2)本發(fā)明方法提出了縱向載荷下附加拉伸力與預擰緊力的關系以及螺桿附加拉 伸位移與衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)變形關系，也提出了縱向載荷下擰緊力產(chǎn)生的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)壓縮位移 大于螺桿附加拉伸位移的壓緊設計準則和橫向載荷下擰緊力產(chǎn)生的模塊間摩擦力大于模 塊間橫剪切力的壓緊設計準則。這些關系與準則提供了模塊化衛(wèi)星壓緊參數(shù)分析計算的一 個理論基礎，使模塊化衛(wèi)星壓緊參數(shù)設計過程清晰、簡捷、有據(jù)，減少了原先憑經(jīng)驗設計的 不確定性、不合理性，提高了設計水平；(3)依據(jù)本發(fā)明提供的方法開展設計流程，可以減少設計的往復性。


圖1為本發(fā)明方法的流程框圖。
具體實施例方式模塊化衛(wèi)星在外載荷力作用下，各螺桿施加的擰緊力應保證衛(wèi)星各模塊不發(fā)生分 離，其次螺桿和衛(wèi)星結(jié)構(gòu)所受應力應不超出材料強度，在此原則下，對模塊化衛(wèi)星進行分離 而疊加的受力分析。如圖1所示，為本發(fā)明方法的流程框圖，對縱向載荷和橫向載荷分別進 行考慮。在縱向載荷下，按外力-變形的疊加原理，分析衛(wèi)星結(jié)構(gòu)和螺桿的協(xié)調(diào)變形，計算 剛度矩陣，得到縱向外載荷下衛(wèi)星模塊不分離的螺桿參數(shù)與縱向外載荷關系，從而可以確 定螺桿承受縱向力的設計參數(shù)。在橫向載荷下，分析計算衛(wèi)星模塊間的橫剪力和摩擦力，得 到橫向外載荷與螺桿參數(shù)的關系，這樣可以確定螺桿承受橫向力的設計參數(shù)。為保證最終 螺桿設計參數(shù)能夠分別經(jīng)受兩個方向的載荷作用，螺桿的最終參數(shù)選擇縱向和橫向兩種載 荷下計算得到的最大參數(shù)。下面分別進行詳細的說明。前提條件是各模塊的尺寸、材料已經(jīng)確定并完成設計， 即單獨各模塊的剛度、強度已確定。一、縱向載荷1、確定設計參數(shù)已知的設計參數(shù)包括縱向載荷大小F,，螺桿數(shù)量η以及相應的初始安裝位置，螺 桿的長度L (依據(jù)模塊尺寸和數(shù)量而定)。2、計算螺桿安裝處衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的剛度系數(shù)假設對單獨一個螺桿施加單位預緊力N，則在本螺桿和其他螺桿處，衛(wèi)星結(jié)構(gòu)都會 產(chǎn)生壓縮位移，記為Xn、X12、X13. . . . Xlj (第一個螺桿的力在第j個螺桿處產(chǎn)生的壓縮位移)。 據(jù)此，第i個螺桿的力在第j螺桿處產(chǎn)生的壓縮位移為Xij。Xij可以通過衛(wèi)星有限元分析軟 件計算得到，有限元分析軟件可以采用MSCPATRAN/NASTRAN等。首先，按連續(xù)結(jié)構(gòu)建造有限 元模型(不包括螺桿，模型上不需要施加螺桿預緊力)，這時模塊化衛(wèi)星的有限元分析等同 于一般衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的有限元建模分析；然后分別在對應每一個螺桿兩端的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)模型上施 加單位力，計算壓縮位移。具體的建模、計算和結(jié)果處理可參考軟件的使用手冊。只要衛(wèi)星 結(jié)構(gòu)尺寸、材料確定，并符合有限元分析使用手冊的建模規(guī)范，不同的有限元建模分析其結(jié) 果都是接近的，誤差在允許范圍內(nèi)。N = kjj * Xij (1)其中為第i個螺桿在第j個螺桿處的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)剛度系數(shù)，kn為第i個螺桿在
本身螺桿處的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)剛度系數(shù)(i、j都代表螺桿的數(shù)量，i、l、l，2，......η)。可以由
式⑴計算得到。3、計算拉伸位移衛(wèi)星在向上準靜態(tài)力Fq(等價于縱向振動載荷)作用下會產(chǎn)生拉伸位移，此時只 分析F,對衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的作用而暫不考慮對螺桿的影響(下一步考慮)。通過衛(wèi)星有限元可以 計算F,產(chǎn)生的拉伸位移^，具體方法是采用上述同樣的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)有限元模型，將外載荷變 換為準靜態(tài)力F,，計算對應于螺桿兩端的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)上拉伸位移 。4、計算附加拉伸力
5
縱向載荷F,對衛(wèi)星結(jié)構(gòu)產(chǎn)生拉伸位移也會對螺桿產(chǎn)生作用。在F,作用下，螺 桿在原來拉伸力基礎上產(chǎn)生附加的拉伸力，記為Fai。在Fai作用下，螺桿產(chǎn)生附加拉伸位移 為Ui，對于衛(wèi)星結(jié)構(gòu)來說，衛(wèi)星結(jié)構(gòu)承受與Fai同樣大小的壓縮力，其產(chǎn)生的壓縮位移記為 Vi。于是有Bi = U^vi (2)對于螺桿來說，如螺桿的截面積為A，長為L，材料彈性模量為E，則Ui = FaiL/ (AE) (3)在與Fai等價的壓縮力作用下，衛(wèi)星結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的壓縮位移可用一般式表示為
權(quán)利要求
1.一種模塊化衛(wèi)星壓緊參數(shù)的確定方法，其特征在于步驟如下(1)確定衛(wèi)星整體所受的縱向載荷大小Ftl和橫向載荷大小Fh；(2)確認衛(wèi)星總體設計時選定的螺桿數(shù)量n，并根據(jù)各衛(wèi)星模塊高度之和確定螺桿長 度L;(3)計算縱向載荷Ftl作用下衛(wèi)星整體結(jié)構(gòu)對應各螺桿處的位移和各螺桿安裝處的衛(wèi)星 結(jié)構(gòu)剛度系數(shù)，并據(jù)此計算為保證衛(wèi)星模塊之間壓緊所需的螺桿直徑尺寸D1 ；(4)依據(jù)螺桿擰緊力產(chǎn)生的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)壓縮位移大于縱向載荷Ftl作用下螺桿附加拉伸位 移的準則，計算縱向載荷F,作用下為保證衛(wèi)星模塊之間壓緊不分離所需的螺桿擰緊力F1 ；(5)計算橫向載荷Fh作用下衛(wèi)星模塊間的最大橫剪切力，并據(jù)此計算為保證衛(wèi)星模塊 之間壓緊所需的螺桿直徑尺寸D2 ；(6)計算橫向載荷Fh作用下為保證衛(wèi)星模塊之間壓緊不滑動所需的螺桿擰緊力F2；(7)根據(jù)步驟(3)和步驟(5)的結(jié)果，取D1和D2中的較大值作為最終所需的最小螺桿 直徑；(8)根據(jù)步驟(4)和步驟(6)的結(jié)果，取F1和F2中的較大值作為最終所需的最小螺桿 擰緊力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模塊化衛(wèi)星壓緊參數(shù)的確定方法，其特征在于所述步 驟(3)中計算D1的方法為將模塊化衛(wèi)星按整體結(jié)構(gòu)進行有限元建模，計算得到各螺桿安 裝處的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)剛度系數(shù)和縱向載荷Ftl作用下衛(wèi)星整體結(jié)構(gòu)對應各螺桿處的位移 ， 然后按公式 A 彡{-(σ * L+屮 * E)+SQRT [ ( σ * L+屮 * Ε) 2+6 σ * L * Eii * Ε]} Λ2 σ * EAii)計算出螺桿的最小截面積Α，再依據(jù)截面積A求出最小螺桿直徑，按螺紋標準目錄選 擇滿足最小螺桿直徑的標準螺桿直徑作為D1;式中SQRT為求平方根，ο為螺桿許用應力， E為螺桿材料模量，a,為衛(wèi)星整體結(jié)構(gòu)在Ftl作用下對應第i螺桿處的位移，kn為第i根螺 桿安裝處的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)剛度系數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種模塊化衛(wèi)星壓緊參數(shù)的確定方法，其特征在于所述步 驟中計算F1的方法為按公式F = 1. 5 * L * kn/(L+A * E/kn)計算，確定原則是 保證縱向載荷F,作用下衛(wèi)星結(jié)構(gòu)一直處于壓縮狀態(tài)而不分離，并考慮1. 5倍的余量系數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種模塊化衛(wèi)星壓緊參數(shù)的確定方法，其特征在于所述步 驟(5)中計算D2的方法為將模塊化衛(wèi)星按整體結(jié)構(gòu)進行有限元建模，計算得到橫向載荷 Fh作用下模塊間的最大總剪切力Ftp，按公式A彡1. 5Ftp/(n ^ f ^ σ)計算螺桿最小截面 積Α，再依據(jù)截面積A求出最小螺桿直徑，按螺紋標準目錄選擇滿足最小螺桿直徑的標準螺 桿直徑作為D2 ；式中Ftp為根據(jù)Fh獲取的模塊間的總剪切力，f為接觸面間的摩擦系數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種模塊化衛(wèi)星壓緊參數(shù)的確定方法，其特征在于所述步 驟(6)中計算&的方法為按公式F= 1.5Ftp/(n女f)計算，確定原則是保證橫向載荷Fh 作用下螺桿擰緊力產(chǎn)生的模塊接觸面間摩擦力大于模塊間橫向總剪切力，使衛(wèi)星模塊間不 滑動，并考慮1.5倍的余量系數(shù)。
全文摘要
一種模塊化衛(wèi)星壓緊參數(shù)的確定方法，用于確定壓緊螺桿的直徑和擰緊力。步驟為(1)確定衛(wèi)星整體所受的縱向載荷Fq和橫向載荷Fh；(2)確認衛(wèi)星總體設計時選定的螺桿數(shù)量n，并根據(jù)各模塊高度之和確定螺桿長度L；(3)計算縱向載荷Fq作用下為保證衛(wèi)星模塊之間壓緊所需的螺桿直徑和螺桿擰緊力；(4)計算橫向載荷Fh作用下為保證衛(wèi)星模塊之間壓緊所需的螺桿直徑和螺桿擰緊力；(5)根據(jù)步驟(3)和步驟(4)的結(jié)果取最大的螺桿直徑和最大的螺桿擰緊力作為最終所需要的最小螺桿直徑和最小擰緊力。本發(fā)明方法提供了一種模塊化衛(wèi)星螺桿壓緊設計的指導方法，可以彌補單憑經(jīng)驗選取、試驗驗證的不足。
文檔編號G06F17/50GK102129490SQ20111004446
公開日2011年7月20日 申請日期2011年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月24日
發(fā)明者楊新峰 申請人:航天東方紅衛(wèi)星有限公司