某航天产品高架试验装置设计与分析

江 晨 毛旦平 李 辉 杨 波 吴伟潇

工装·设备

某航天产品高架试验装置设计与分析

江 晨 毛旦平 李 辉 杨 波 吴伟潇

（上海航天精密机械研究所，上海 201600）

根据试验需求和设计要求，开展了高架试验装置的结构设计。同时，为了保证安全性和可靠性的要求，分析机构的静力平衡和有限元分析两个薄弱零件，获得了两个薄弱零件的最大应力和最大变形量及最大值出现的位置，结果表明，两个薄弱零件的刚度和强度满足要求。另外，该装置的设计和分析可为后续其它类型航天产品高架试验装置的设计提供思路。

航天产品；高架试验台；有限元分析；刚度；强度

1 引言

航天产品由于其独特的性能要求，需要开展各种试验来验证相关参数和性能指标。因此，需要根据不同的试验类型和试验要求开展相应试验装置的研究和设计。试验装置的研究设计一方面能满足当前航天产品的试验任务，另一面，也为后续其它类型航天产品试验装置的研究设计提供思路。

为完成某型号航天产品的高架试验，设计了一套高架试验装置，该装置能够实现产品绕某一轴转动多角度，且在每个角度实现锁定，便于开展试验，同时，考虑了产品和装置一同运输的固定、操作的方便性、安全性等问题。另外，通过机构的静力平衡分析和有限元分析，校核了转动轴和销轴两个薄弱零件。

2 高架试验装置总体结构设计

2.1 设计要求

在测试某航天产品的系统功能时，需测试其在不同偏转角度下的各项数据，要求试验台能满足多角度转动功能，另外，需保证产品安装在试验装置上一同长距离运输。具体要求及参数见表1。

表1 设计指标及相关参数

在满足上述功能的基础上，安全可靠性也是本装置设计过程中重点考虑的问题，主要包括：

a. 产品安装到试验装置上的稳定性，需防止其倾翻；

b. 产品和试验装置一同运输时的安全性。

2.2 装置总体设计

图1 试验台整体结构模型

1—产品 2—产品承托座 3—绑带立柱 4—转动立柱；5—产品固定立柱 6—弹簧销钉结构 7—径向固定立柱 8—径向固定板

1—外框架 2—左分度盘 3—固定组件 4—转动轴 5—支撑板 6—右分度盘

根据总体设计要求，试验装置整体结构如图1所示，该结构是一个左右对称结构，主要包括内框架结构和外框架结构两部分。

内部、外部框架结构的组成如图2、图3所示。内框架结构通过转动轴与外框架结构组装，转动轴的位置为内框架质心所在的平面，防止倾翻。

因为产品安装到试验装置上后需与试验装置一同运输，内框架结构与外框架结构之间必须固定，同时需要保证操作的方便性，设计了固定组件，如图4所示。固定块通过焊接与外框架连接，内、外框架固定时只需将抽动块与内框架上的立柱用螺钉连接；内、外框架不固定时，只需拧下固定组件上的螺钉1和螺钉3，同时稍微松动螺钉2，抽出抽动块，即可实现内框架结构相对外框架的转动。

1—固定块 2—抽动块 3—螺钉1 4—螺钉2 5—螺钉3

1—销轴2 2—螺纹套筒 3—弹簧

图6 右分度盘

试验时，内框架结构相对外框架结构转动，转到一定角度后，需测量相应的参数数据，然后进入下一个角度。因此，在每一个测量角度时，内框架结构相对于外框架结构需要固定，为保证进入下一个角度测量时操作的方便性，设计了弹簧销钉结构和分度盘，分别如图5、图6所示。螺纹套筒装弹簧的一端有外螺纹，与产品承托座连接，销轴插在分度盘对应角度的孔中，需要转动角度时，只需推动销轴，压缩弹簧，销轴离开分度盘的孔，同时，操作者利用径向固定板上的把手使内框架结构相对外框架结构转动，在进入下一个角度时，弹簧利用弹力将销轴推进分度盘的孔中，使得内、外框结构保持固定。

通过该试验装置，能够实现设计要求中不同角度的转动，不同角度下试验装置的示意图如图7所示。

图7 结构运动至各角度示意图

3 仿真分析

根据试验过程中内、外框架的转动，以及之间的相对约束关系，可知转动轴和销轴为该装置中的薄弱部分，两者的受力分析如图8所示。

图8 转动轴和销轴的受力分析

3.1 转动轴和销轴受力分析

表2 转动轴受力

表3 销轴受力

根据设计，在CREO 2.0软件中构建相应的零件模型，并根据它们之间的连接关系添加约束装配，进入“机构”模块机构分析静力平衡[1～5]。得出转动轴和销轴连接处的作用力，分别见表2、表3。

3.2 转动轴和销轴强度和刚度分析

根据以上的设计，在CREO 2.0软件中构建相应的零件模型，然后进入“结构模式”模块，有限元分析零件的强度和刚度是否满足要求[6～9]。

转动轴和销轴的材料均为1Cr18Ni9Ti，其抗拉强度为520MPa，设计安全系数取4，许用变形量[]<2mm，则许用应力为[10]：

根据转动轴的连接关系，有限元分析时的边界条件添加如图9所示。

图9 转动轴边界条件添加

图10 转动轴的Mises等效应力云图

图11 转动轴的变形云图

转动角为0°时转动轴的Mises等效应力云图和变形云图分别如图10、图11所示，从图中可以看出，该时刻转动轴的最大Mises等效应力为100.24MPa，出现在转动轴与外框架的支撑面位置（靠近过内侧的支撑面）；最大的变形为0.075mm，出现在转动轴的端部位置。转动角为其它角度时转动轴的最大Mises等效应力和最大变形见表4。

表4 转动轴最大应力和变形

综上，在整个试验过程中，转动轴受到的最大Mises等效应力为100.24MPa，最大的变形为0.075mm，两者均在许用应力和许用变形范围内，满足强度和刚度要求。

根据销轴的连接关系，有限元分析时的边界条件添加如图12所示。

图12 销轴边界条件添加

图13 销轴的Von Mises等效应力云图

图14 销轴的变形云图

转动角为0°时销轴的Mises等效应力云图和变形云图分别如图13、图14所示，从图中可以看出，该时刻转动轴的最大Mises等效应力为17.6MPa，出现在销轴与螺纹套筒端面接触的位置；最大的变形为0.0025mm，出现在销轴的端部位置。

转动角为其它角度时销轴的最大Mises等效应力和最大变形见表5。

表5 销轴最大应力和变形

综上，在整个试验过程中，销轴受到的最大Mises等效应力为26.1MPa，最大的变形为0.0038mm，两者均在许用应力和许用变形范围内，满足强度和刚度要求。

4 结束语

a. 开展了高架设计装置的结构设计；

b. 转动轴受到的最大Mises等效应力为100.24MPa，最大的变形为0.075mm，满足强度和刚度要求；

c. 销轴受到的最大Mises等效应力为26.1MPa，最大的变形为0.0038mm，满足强度和刚度要求；

d. 该装置的设计思路可为后续其它类型航天产品高架试验装置的设计提供思路；

e. 后续可以从装置的通用性方面进一步优化。

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Design and Analysis of A Space Product Elevated Test Device

Jiang Chen Mao Danping Li Hui Yang Bo Wu Weixiao

(Shanghai Spaceflight Precision Machinery Institute, Shanghai 201600)

According to the test requirements and design requirements, the structural design of the elevated test device is carried out in this paper. At the same time, in order to ensure the requirements of safety and reliability, the static balance analysis of the mechanism and the finite element analysis of the two weak parts were performed. The maximum stress and maximum deformation and the position where the maximum value occurred of the two weak parts were obtained. The results show that the stiffness and strength of the two weak parts meet the requirements. In addition, the design and analysis of the device can provide ideas for the subsequent design of elevated test devices for other types of aerospace product.

space product；elevated test device；finite element analysis；stiffness；strength

江晨（1992），硕士，机械制造及其自动化专业；研究方向：航天飞行器装配工艺、航天飞行器结构数字化仿真。

2020-01-20