【摘 要】
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空间对接锁系是实现空间飞行器对接机构刚性密封连接的主要部件之一。各锁之间的运动和驱动力通过传动钢索传递,形成锁系机构。其作用是为两飞行器提供锁紧力,保证两飞行器的刚性连接,并在对接任务完成后能够同步解锁。然而,空间对接锁系结构的复杂性和特殊的工作条件等因素导致其主要传力机构(传动钢索)的应力松弛、蠕变等应力应变性能发生变化,进而引起传动钢索静力学性能、丝间接触性能及丝间承载能力降低等问题,严重影响
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空间对接锁系是实现空间飞行器对接机构刚性密封连接的主要部件之一。各锁之间的运动和驱动力通过传动钢索传递,形成锁系机构。其作用是为两飞行器提供锁紧力,保证两飞行器的刚性连接,并在对接任务完成后能够同步解锁。然而,空间对接锁系结构的复杂性和特殊的工作条件等因素导致其主要传力机构(传动钢索)的应力松弛、蠕变等应力应变性能发生变化,进而引起传动钢索静力学性能、丝间接触性能及丝间承载能力降低等问题,严重影响传动钢索的使用寿命等服役性能,而传动钢索服役性能进一步恶化对空间对接锁系传动精度、传动误差等同步性的产生影响。因此,本文对空间对接锁系传动钢索应力应变特性及其运动同步性影响进行研究,以期为空间对接机构可靠性及使用安全性分析提供理论。主要研究内容和成果如下:1)空间对接锁系传动钢索拉伸应力松弛及其传力特性研究。根据空间对接锁系传动钢索的结构特点,推导传动钢索的参数化空间曲线方程。考虑泊松比效应和传动钢索丝间的多层接触,建立拉伸载荷下传动钢索丝间轴向力学性能与应力松弛性能有限元模型,并通过与文献结果对比验证模型的有效性。通过有限元求解,揭示应力松弛行为影响下传动钢索应力应变和丝间接触性能的演变机理。研究发现应力松弛行为导致传动钢索的接触性能和抗松弛性能降低。2)应力松弛影响下空间对接锁系传动钢索抗弯性能研究。建立弯曲载荷下传动钢索丝间轴向力学性能与应力松弛性能有限元模型,借助完全牛顿求解算法和隐式求解算法对模型进行准确求解,并基于文献结果验证模型的有效性,进而揭示出弹塑性材料、弯曲曲率等参数对传动钢索承载性能的影响规律。研究发现弯曲载荷下传动钢索最大应力、弹性应变、塑性应变和蠕变应变均发生在芯丝,芯丝相比于空间螺旋结构的钢丝更容易发生应力屈服。3)复合承载空间对接锁系传动钢索应力应变特性研究。计入滑轮对传动钢索传力特性的影响,基于弹性理论和蠕变理论,建立复合载荷下传动钢索应力松弛与承载性能模型,采用完全牛顿求解算法和隐式求解算法对模型进行准确求解,探究复合承载空间对接锁系传动钢索应力松弛性能,揭示应力松弛行为影响下传动钢索承载特性演变规律。研究发现复合载荷作用下应力松弛行为导致传动钢索接触压力和应力的最大值降低,使得传动钢索接触压力和应力分布更均匀化。4)空间对接锁系传动钢索应力松弛演变对运动同步性能影响研究。基于动力学理论和运动学理论,建立空间对接锁系传动钢索-滑轮机构的动力学模型和同步运动模型,并计入应力松弛行为的影响,揭示应力松弛影响下空间对接锁系的同步失效机理。研究发现应力松弛行为导致传动钢索-滑轮机构从动轮的角速度响应变慢、扭矩降低、功率损失增加。
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