[发明专利]磁悬浮飞轮可重复抱式锁紧装置用弹片的设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及磁悬浮飞轮可重复抱式锁紧装置用弹片的设计领域，特别是大型航天器用大惯量磁悬浮飞轮和大型磁悬浮控制力矩陀螺锁紧装置用弹片的设计方法。

背景技术

随着航天技术的发展，为满足对航天器定姿、定轨精度越来越高的要求，通常采用反作用飞轮和偏置动量轮控制卫星平台。磁悬浮飞轮是一种新型航天器姿态控制系统，与传统机械飞轮相比，在控制精度和使用寿命等方面具有明显优势。由于磁悬浮飞轮定、转子间存在一定的磁保护间隙，为防止发射主动段飞轮定、转子相互碰撞冲击而损坏，飞轮系统必须采用锁紧机构，对其进行锁紧约束保护。

根据锁紧装置在磁悬浮飞轮中的位置，锁紧装置可分为内锁紧装置和外锁紧装置。根据锁紧/解锁次数，锁紧装置可分为一次性锁紧装置和可重复锁紧装置。航天器发射前，磁悬浮飞轮必须完成各种地面环境试验，需经常对其进行锁紧/解锁。此外，变轨工作时，为防止自由状态的飞轮对姿控平台的干扰，也需将其锁紧；入轨后，再对飞轮转子进行解锁。目前所使用的可重复锁紧装置主要有电磁锁紧装置、基于电机-锥面锁盖锁紧装置、基于电机-杠杆锁紧装置和抱式锁紧装置。专利申请号200810119968.0所述的电磁锁紧装置，通过控制电磁铁的电磁磁场与永磁磁场正/反向叠加，实现飞轮的重复锁紧/解锁。但锁紧启动力与解锁间隙成反比，且解锁间隙不可调整，对锁紧装置的装配调试带来极大不便。工作时，一般在飞轮底座上沿圆周方向安装三至四个电磁锁紧装置，使得执行锁紧和执行解锁时，对电磁铁动作的同步性要求较高。此外，若任一电磁锁紧装置失效，就会导致磁悬浮飞轮系统不能执行锁紧和解锁，降低了锁紧装置的可靠性。专利申请号201210338347.8所述的基于电机-锥面锁盖锁紧装置，通过电机正/反转，驱动锥面锁盖压紧/松开飞轮转子，实现了飞轮的重复锁紧/解锁。锥面锁盖放置于定子芯轴径向内侧，减小了飞轮体积和重量，但锥面锁盖锥面的约束面积较小，锁紧约束刚度偏低，导致振动过程中大惯量磁悬浮飞轮定、转子间振动位移较大。专利申请号200910093150.0所述的抱式锁紧装置，利用弹片作为伸张机构，利用钢丝绳作为收紧机构，通过电机正/反转，驱使收紧机构将伸张机构收拢/松开，从而抱紧/释放飞轮转子，实现飞轮的重复锁紧/解锁。该锁紧装置与电磁锁紧装置相比，当锁紧装置发生故障时，采用火工品斩断钢丝绳对飞轮进行强制解锁，增加了执行解锁可靠性，且弹片行程可调，即解锁间隙可调，具有装配调试方便的优点。与基于电机-锥面锁盖锁紧装置相比，抱式锁紧装置的弹片与飞轮转子边缘接触面积较大，增加了锁紧的刚度，从而可更好地对大惯量飞轮转子进行约束保护。

弹片作为可重复抱式锁紧装置的关键部件，其力学性能对飞轮系统的影响如下：(1)锁紧状态下的解锁力决定了锁紧装置的解锁可靠性；(2)锁紧电机功率一定时，钢丝绳张力保持不变，即解锁力与锁紧力之和为一定值，解锁力越大锁紧力越小，锁紧可靠性越低；(3)锁紧状态下过大的弯曲应力可能导致弹片塑性变形；(4)解锁状态下，弹片处于自由状态，其解锁状态一阶共振频率过低，会影响飞轮系统控制力矩精度；(5)锁紧状态下，即使锁紧力能够约束飞轮转子，但过低的锁紧刚度会导致发射主动段定、转子间的振动位移过大，致使定、转子间发生激烈的碰撞与冲击；(6)发射主动段，飞轮转子惯性力较大，过低的锁紧阻尼不能够及时吸收飞轮转子动能，迫使振动位移进一步放大，也会导致激烈碰撞与冲击的发生。因此如何设计出能满足整个锁紧装置的锁紧与解锁可靠性、飞轮系统性能和飞轮锁紧保护效果要求的弹片是需要解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种磁悬浮飞轮可重复抱式锁紧装置用弹片的设计方法，能设计出高刚度高阻尼的磁悬浮飞轮用可重复抱式锁紧装置，解决现有小惯量磁悬浮飞轮锁紧装置设计方法以质量最小为优化目标的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种磁悬浮飞轮可重复抱式锁紧装置用弹片的设计方法，该方法以可重复抱式锁紧装置用弹片的锁紧刚度和锁紧阻尼综合最优为设计目标，包括以下步骤：

步骤1，设定离散设计变量弹片个数为n＝i＝4；

步骤2，设定连续设计变量弹片高度h、弹片厚度t和弹片宽度w的初始值；

步骤3，采用有限元软件ANSYS作为处理工具，利用设定的弹片个数和弹片高度h、弹片厚度t和弹片宽度w的初始值，分别建立以下弹片相关状态的模型，具体为：