航天四方装置毕业设计.docx

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航天四方装置毕业设计

摘要

释放装置作为航天器中的关键部件，直接影响到航天任务能否顺利完成，受到越来越多的关注。

传统火工释放装置分离载荷大，对航天器有着潜在的影响。

针对这一问题，研制了一种新型释放装置，其具有分离载荷小、承载大、需要能量少以及分离速度可控等优点。

本文针对该新型释放装置的性能进行测试平台的设计，保证它的高可靠性及适用性。

首先，按照释放机构的性能要求，对释放机构性能测试平台进行了结构设计,利用solidworks对结构设计后又进行了结构的优化。

其次，基于ANSYS的预紧力校核。

保证性能测试平台的安全可靠，提供良好的测试环境。

最后，基于LabVIEW的多传感器信号采集。

采用模块化的编程思想，完成了LabVIEW环境下多通道数据采集系统的设计和实现。

关键词：

释放装置；ANSYS；LabVIEW；数据采集

各位如果需要此设计的全套内容（包括二维图纸、中英文如果需要代做也请加上述QQ,代做免费讲解。

Abstract

Asthekeycomponentinthespacecraft,separationdevicedirectlyaffectsthecompletionofthemission,thereforeobtainsincreasingattention.Theloadingoftraditionalfireseparationdeviceishuge,leadingtoapotentialimpactonspacecraft.Inordertosolvethisproblem,anewtypeofseparationdeviceisdeveloped,whichownstheadvantagesofsmallseparationloading,largeloadbearing,lessrequiredenergyaswellasacontrollabilityinseparationspeed.

Inthispaper,theaimistodesignatestplatformfortheperformanceofthenewreleasegear,toensureitshighreliabilityandapplicability.

Firstly,Accordingtotheperformancerequirementsofthereleasegear,thestructureofthereleasegearofperformancetestplatformistobedesigned,andstructuedesignandoptimizationbyusingsolidworks.Secondly,basedonANSYSpre-tighteningforcerespectively,toensurethattheperformanceplatformforsafeandreliable,providesagoodtestenvironment.Lastly,thesignalacquisitionisbasedonLabVIEWmultisensor,usesthemethodofmodules,describesthedesignandimplementationoftheMulti-ChannelDataAcquisitionSystembasedonLabVIEW.

Keywords:

releasegear,ANSYS,LabVIEW,signalacquisition

目录

摘要Ⅰ

AbstractⅡ

第1章绪论1

1.1课题的研究背景和意义1

1.2国内外研究现状2

1.3本文主要研究内容3

第2章性能测试平台的结构设计4

2.1装配体框架的构建4

2.2关于测试平台基础结构的设计5

2.2.1上板的设计5

2.2.2下板的设计6

2.2.3拱形梁的设计6

2.2.4加紧螺母的设计7

2.2.5双头螺柱的设计7

2.3关于水平定位机构的设计7

2.3.1水平螺钉的设计7

2.3.2水平支撑柱的设计8

2.3.3半圆柱的设计8

2.3.4半圆柱的支撑柱的设计9

2.3.5半圆柱连接件的设计9

2.4关于传感器的选取9

2.4.1压力传感器的选取9

2.4.2振动传感器的选取10

2.5本章小结10

第3章性能测试平台中零件的校核11

3.1线性和非线性理论11

3.1.1线性静力理论简介11

3.1.2非线性静力理论简介12

3.2基于ANSYS的静力校核13

3.2.1静力分析简介13

3.2.2拱形梁的校核14

3.2.3水平螺钉的校核14

3.2.4水平支撑柱的校核15

3.2.5加紧螺母的校核15

3.2.6双头螺柱的校核15

3.2.7半圆柱的校核16

3.2.8螺钉M5×14的校核16

3.3本章小结17

第4章数据采集及图形显示18

4.1基于LabVIEW的数据采集系统18

4.1.1数据采集的基本概念18

4.1.2关于NI-MAX的运用19

4.2基于DAQ助手的VI设计19

4.3前面板的设计及优化20

4.4本章小结21

结论22

致谢23

参考文献24

第1章绪论

1.1课题的研究背景和意义

锁紧释放装置广泛应用于宇航任务中，如星箭连接的分离、卫星上大型天线的空间展开等。

它可以为航天器附件的锁紧提供预紧力，以保证其在巨大的发射冲击下不损坏。

并能按照指令在空间轨道环境下释放该锁紧状态。

目前，航天器的解锁装置多为火工装置，火工装置是由发火元件、装药和功能装置组成，利用装药爆炸或燃烧的能量驱动功能装置完成特定的功能。

目前常用的火工装置主要有爆炸螺栓、火工螺母、火工切割器、火工拔销器、火工锁等。

火工装置的优点是:

结构简单、质量轻、体积小、解锁相应快、爆炸能量可控、成本低等。

但火工品存在解锁冲击大、易燃易爆、不易储存等缺点。

并且火工品爆炸后所释放出的化学气体具有污染性，会对镜头和电子器件等精密器械造成损害。

此外，从可靠性的角度讲，火工品只能使用一次，航天器上最终使用的火工品锁紧螺杆并不是在地面进行实验的锁紧螺杆，装置的可靠性在地面不好验证。

随着航天技术的快速发展，传统的火工装置已经无法满足新型航天器的要求。

这使得研制新型低振动、无污染、可重复使用的非火工装置成为必然。

与火工装置相比，非火工装置具有冲击小、污染低的优点。

随着航天技术的发展,人们不断研制出承载能力大、工作安全、性能可靠的新型可解锁连接与分离装置。

在新型航夭器连接与分离方案设计时,如果对这些已有装置的特点有一个全面了解,充分应用成熟技术,不但可以缩短设计周期,而且可以节约大量研制费用,提高产品的可靠性。

释放装置性能的优劣直接影响航天任务的成败，近年来，世界范围内发生多起因释放装置导致的发射事故。

1999年12月，在普列谢茨克发射场正在测试准备发射的俄罗斯“呼啸号”火箭发生严重事故，火箭的整流罩火工释放装置突然启动，导致整流罩从火箭上脱落。

2003年11月29日，搭载两颗间谍卫星的日本H2A火箭，因助推器没有成功与火箭释放，火箭的飞行速度受到较大影响，无法将卫星送到预定轨道上，被迫销毁火箭。

2009年2月24日，美国专门用于对地球二氧化碳浓度测量的“嗅碳”卫星发射失败，之后美国航天局针对这一事件做了详细的调查，并在2009年7月17日公布了调查结果。

调查报告指出，引起卫星发射失败的主要火问题是火箭的整流罩未能按预定程序与三级火箭释放，可能与其中释放装置的硬件有关，一些细节因为保密而没有进一步透露。

2009年8月25日，韩国的罗老号火箭在升空后，整流罩的一侧没有正常打开释放，进而增加火箭的负载影响火箭的飞行速度，导致卫星未能进入轨道。

从上述故障案例可知，释放装置性能优劣对航天器能否完成预期任务起着关键作用。

因此，通过对新型释放装置的性能测试检查，能够大大降低故障的发生率，保证了航天器的成功发射，对航天器的成功发射提供保障。

1.2国内外研究现状

国内外研究主要集中在两个方面：

火工品与非火工品。

常用的火工分离装置主要有：

分离螺母、切割器、弹射筒、电爆阀门、拔销器等。

如图1-1、1-2、1-3、1-4所示。

常用的非火工分离装置主要有：

形状记忆合金驱动器、石蜡驱动器、低熔点材料释放装置。

如图1-5、1-6所示。

图1-1分离螺母图1-2爆炸螺栓

图1-3电爆阀图1-4切割器

图1-5形状记忆合金驱动器图1-6低熔点材料释放装置

1.3本文主要研究内容

本文设计一种专用于新型低冲击释放机构性能测试平台，主要研究内容如下：

（1）平台的构建及优化，实现最优化的结构设计。

（2）零件的校核，满足强度要求。

（3）数据的采集，实现正常通信。

（4）数据的显示，完成结果查询。

第2章性能测试平台的结构设计

2.1装配体框架的构建

性能测试平台是基于释放机构的性能指标（释放机构输出力60KN、释放机构质量<700g、释放冲击<1000g、释放时间<100ms、可否重复加锁次数>20次）构建的。

装配体的框架包括了释放机构、传感器、水平支撑机构、水平定位机构、预紧力机构。

其中，传感器包括了压力传感器与振动传感器，水平支撑机构包括了水平支撑柱和水平螺钉，水平定位机构包括了半圆柱、半圆柱的支撑柱和半圆柱连接件，预紧力机构包括了加紧螺母和双头螺柱。

装配体的立体图如图2-1所示，三视图如图2-2所示。

图2-1装配体立体图

图2-2装配体三视图

2.2关于测试平台基础结构的设计

2.2.1上板的设计

上板主要的结构包括两个短侧边共6个M5×10螺钉和两个长侧边共12个M5×10螺钉，他们对称分布在侧边上。

在水平面上1个M12×12水平螺钉孔、1个安装半圆柱半径为40mm的通孔、1个半径为14mm通过双头螺柱的通孔、3个M5×12螺钉孔用于水平面振动传感器的安装、4个M5×12螺钉孔用于安装释放机构。

上板的立体图和三视图如图2-3和2-4所示。

图2-3上板的立体图图2-4上板的三视图

2.2.2下板的设计

下板与上板都是性能测试平台设计中不断优化调整的对象。

下板主要的任务是承载各个零件的载荷，同时固定各个零件。

下板结构中包括4个M5×15的螺纹孔（连接下板与实验平台）、8个M5×10的螺纹孔（连接拱形梁与下板）、2个M5×10的螺纹孔（连接水平支撑住与下板）、2个M30×10的通孔（便于加紧力螺母的安装与拆卸）、16个M4×10的螺纹孔（连接压力传感器与下板）、2个M34×10的通孔（用于半圆柱的支撑柱的安装于拆卸）。

下板的立体图和三视图如图2-5和2-6所示。

图2-5下板的立体图图2-6下板的三视图

2.2.3拱形梁的设计

拱形梁是性能测试平台设计中一个重要的零件，它是承载60KN压力的“危险”梁。

所以，对拱形梁的设计包括了减小结构的体积和增大结构的强度的要求。

初步预设水平支撑住60mm，故拱形梁高度采用50mm，壁厚10mm，宽度40mm。

为了确保释放后零件的分离能够被检测到，在距离底部10mm处添加半径为3mm的两个螺纹孔，用于安装反射式光传感器，在底部有4个M5×10螺钉孔用于固定拱形梁与下板。

拱形梁的立体图和三视图如图2-7和2-8所示。

图2-7拱形梁的立体图图2-8拱形梁的三视图

2.2.4加紧螺母的设计

加紧螺母即施加预紧力的螺母，要求有高强度以及良好的可调整性,是强度要求比较高的地方。

在性能测试平台的设计中，加紧螺母是受力最大的零件，需要保证它材料的高强度以及低塑性。

由于双头螺柱的选择，加紧螺母的尺寸为M12×12.2。

加紧螺母的立体图和三视图如图2-9和2-10所示。

图2-9加紧螺母的立体图图2-10加紧螺母的三视图

2.2.5双头螺柱的设计

因为释放机构的螺母直径为M12，所以双头螺柱的直径选择为M12。

考虑压力传感器的高度、拱形梁的高度，双头螺柱的高度选择68mm。

其中，上螺纹段长度18mm，下螺纹段长度30mm。

双头螺柱的立体图和三视图如图2-11和2-12所示。

图2-11双头螺柱的立体图图2-12双头螺柱的三视图

2.3关于水平定位机构的设计

2.3.1水平螺钉的设计

水平螺钉需要保证其强度的可靠，防止出现因受拉而发生大变形甚至失效等不安全情况。

考虑到释放机构的双头螺柱直径，在这里采用M12×30的螺钉。

水平螺钉的立体图和三视图如图2-13和2-14所示。

图2-13水平螺钉的立体图图2-14水平螺钉的三视图

2.3.2水平支撑柱的设计

水平支撑住提供水平与支撑两项功能。

因此，要求上平面的精度高，同时垂直度也要高。

根据预设优化结构尺寸，综合考虑压力传感器及拱形梁的高度，设置水平支撑住高度60mm，半径为10mm，内圆柱孔半径7mm，高度10mm，地平面的螺纹孔半径为5mm，高度为10mm。

水平支撑柱的立体图和三视图如图2-15和2-16所示。

图2-15水平支撑柱的立体图图2-16水平支撑柱的三视图

2.3.3半圆柱的设计

半圆柱的设计考虑的是加工的可行性以及水平定位的可靠性，是水平定位的基本结构。

选择半圆柱半径为6mm，长度为20mm，底部有M5×4的螺纹孔。

半圆柱的立体图和三视图如图2-17和2-18所示。

图2-17半圆柱的立体图图2-18半圆柱的三视图

2.3.4半圆柱的支撑柱的设计

根据选择的压力传感器的规格，设计M32的螺杆。

考虑到压力传感器高度53mm、拱形梁高度50mm，故采用55mm的高度。

在支撑柱的顶端有M5×4螺钉孔，用于连接支撑柱与半圆柱。

半圆柱的支撑柱的立体图和三视图如图2-19和2-20所示。

图2-19半圆柱的支撑柱的立体图图2-20半圆柱的支撑柱的三视图

2.3.5半圆柱连接件的设计

半圆柱连接件的设计主要是方便水平定位与安装。

设计半圆柱连接件的最主要的要求是对测试平台的干扰减小到最小。

按照能够保证强度要求的最小尺寸进行设计，其中，上圆柱半径26mm，高度5mm，下圆柱半径20mm，高度12mm，4个M3×5的螺纹孔（连接半圆柱连接件与上板）。

半圆柱连接件的立体图和三视图如图2-21和2-22所示。

图2-21半圆柱连接件的立体图图2-22半圆柱连接件的三视图

2.4关于传感器的选取

2.4.1压力传感器的选取

MCL-F系列轮幅式拉压力传感器采用轮幅梁式结构，高精度，低外形，密封可靠，性能稳定；具有很强的抗偏、抗扭、抗侧能力，适用于汽车秤、轨道衡、平台秤、料仓秤、吊车、压力试验机等电子衡器，依靠它承载能力大的优点。

压力传感器的立体图和三视图如图2-23和2-24所示。

图2-23压力传感器的立体图图2-24压力传感器的三视图

2.4.2振动传感器的选取

压电式加速度传感器（高冲击50000g）型号：

CA-YD-111。

振动传感器的立体图和三视图如图2-25和2-26所示。

图2-25振动传感器的立体图图2-26振动传感器的三视图

2.5本章小结

在本章中主要介绍测试平台中零件的设计原理，使用SolidWorks制作了立体图，并用CAD软件制作了三视图。

最后，将零件组装在一起构建了装配图。

第3章性能测试平台中零件的校核

3.1线性和非线性理论

3.1.1线性静力理论简介

线性静力结构分析中,所分析的对象看作弹性体,并且假设受到静力分析时处于平衡状态。

结构分析中使用有限元法把物体连续的分成有限个单元,这些单元网格的结点都相连接而成并进行分析,通过这样的过程可以得到矩阵,这里的临界条件带入到矩阵中,可以得到相应的解。

一般情况下,结构分析使用的单自由度（singleDOFsystem）的方程式为:

M（t）+B（t）+Ku（t）=P（t）（3-1）

式中M是质量,B是阻尼系数（dampingcoefficient）,K是弹性系数（springconstant）,u（t）,P（t）分别代表位移和外力。

式中包含阻尼系数和惯性力,随时间的变化载荷均勾变化的运动方程式。

但是线性静力分析中载荷不随着时间的变化而变化,而是静力分析中受到不变的载荷,即惯性力和阻尼系（M（t）=B（t）=0）忽略不计。

所以公式可简化为:

Ku（t）=P（t）（3-2）

式中K是刚性矩阵,U是结点的向量,P代表载荷的向量。

将临界条件带入,力和位移的简化形式中,反复的求解矩阵便可求得线性静力结构分析的解。

在线性结构分析中需要提前假设一些条件:

（1）线性材料（linearelasticmaterial）:

材料为均匀的（homogeneous）并且等方性（isotropic）,应力和变形率为反比例关系。

此外材料的变形必须在塑性变形之内,去除载荷没有残留应力及变形的存在。

（2）微小变形条件（smalldisplacement）:

受到载荷的作用下发生的微小的位移,不考虑大变形的情况。

平板的受力时,弯曲的情况要比其厚度要小,如果是压杆的情况,弯曲的情况要比断面的最小变形要小。

（3）忽略载荷的速度:

不考虑载荷的动力效果,只在静力条件下进行分析。

3.1.2非线性静力理论简介

非线性情况下,塑性是一种在某种给定载荷下,材料产生永久变形的材料特性。

对大多的工程材料来说,当其应力低于比例极限时,应力应变关系是线性的,表现为弹性行为。

也就是说,当位移移走载荷消失时,其应变也完全消失。

由于屈服点和比例极限相差很小,因此在ANSYS程序中,假定它们相同。

在应力应变的曲线中,低于屈服点的叫做弹性部分,超过屈服点的叫做塑性部分,也叫做应变强化部分。

本文在ANSYS分析软件中所应用的塑性变形理论为冯.米赛斯（VonMises）的屈服准则。

冯.米赛斯屈服准则是在单轴拉伸试验中,圆形断面的轴方向所受的应力为,大小取决于材料的单轴测试的拉伸屈服应力值的大小。

除单轴的方向受到应力外,还承受横向的扭力,试件所承受的剪切力为。

对单向受拉试件受到拉应力和切应力中的任意一种条件下,材料会产生塑性变形,该临界条件成为屈服条件,并以此进行材料的屈服分析。

对于各项的同性材料,在复杂应力的状态下,某点的应力状态由六个分量决定,即应力分量或应变量为坐标空间,空间中每一点代表一个应力或应变状态,屈服条件的应力分量可表示为:

=K（3-3）

式中,,表示主应力,规定的顺序为。

K为材料的屈服强度。

由此可知偏差应力张量的常量可以得到以下公式:

=0（3-4）

VonMises是由上式推导而来,偏差应力张量的二次不变量:

是随着材料的屈服强度特定值变化而变化。

这就是Huber-Mises的屈服条件,表示为

则弹性形变

则屈服开始

应力张量的一般坐标式来表示VonMises屈服条件得出:

（3-5）

或用主应力的空间坐标表示如下:

（3-6）

屈服条件适用于任何的应力组合情况,材料相关的屈服极限在单向的应力作用下可以求出。

假设单轴方向受到屈服应力的值为Y,=Y,则=0,带入上式得:

（3-7）

另一方面,假设受到完全剪切应力的情况下,剪切屈服极限值是,,则中间主应力=0,带入到上式中得:

=（3-8）

三维主应力结果得出VonMises条件式中的常量k与材料纯粹剪切屈服应力的值相等且是单轴屈服应力的,得出。

将等式左边写成,则有效应力（effectivestress）公式为:

（3-9）

VonMises的条件为=Y，有效应力随着材料的单轴伸长屈服应力Y的变化而变化。

用一般坐标来表示为:

（3-10）

有效应力取决于Y的变化而产生变形,VonMises的屈服条件是Hencky等的“剪切变形率能量”理论来解释的,也称之为剪切变形率能（shearingstrainenergytheory）。

也可知“八面体剪切应力”和的关系为=（）。

3.2基于ANSYS的静力校核

3.2.1静力分析简介

在静力分析中，性能测试平台中各零件的校核都按照受力最大化的前提进行校核。

例如：

在上板的设计与校核中，我通过水平螺钉与半圆柱实现水平定位和应力的分配。

下板的设计依靠上板及其他零件的配合关系设计的，尽可能保证有足够的强度来维持测试的成功。

其余的零件则是通过考虑预紧力的大小来设计安全尺寸。

ANSYS的运用大大提高了校核速度，可以再更短的时间内优化各零件的尺寸。

3.2.2拱形梁的校核

图3-1变形图图3-2位移图图3-3应力图

3.2.3水平螺钉的校核

变形图如图3-4所示、位移图如图3-5所示、应力图如图3-6所示。

图3-4变形图图3-5位移图图3-6应力图

3.2.4水平支撑柱的校核

变形图如图3-7所示、位移图如图3-8所示、应力图如图3-9所示。

图3-7变形图图3-8位移图图3-9应力图

3.2.5加紧螺母的校核

图3-10变形图图3-11位移图图3-12应力图

3.2.6双头螺柱的校核

图3-13变形图图3-14位移图图3-15应力图

3.2.7半圆柱的校核

变形图如图3-16所示、位移图如图3-17所示、应力图如图3-18所示。

图3-16变形图图3-17位移图图3-18应力图

3.2.8螺钉M5×14的校核

图3-19变形图图3-20位移图图3-21应力图

3.3本章小结

本章主要介绍了受力大、强度要求高的零件的受力情况、约束情况，使用了ANSYS校核它们的变形、位移、应力。

使用ANSYS校核，在优化结构设计阶段大大提高了效率。

第4章数据采集及图形显示

4.1基于LabVIEW的数据采集系统

4.1.1数据采集的基本概念

数据采集是获取信息的重要手段，数据采集技术作为信息科学的一个重要分支，是以传感器、信号测量与处理、微型计算机技术等为基础形成的一门综合性应用技术，它主要研究信息数据的采集、存储及处理，具有很强的实用性。

如今，数据采集已在工业生产和科学技术研究等众多领域得到了广泛应用并取得了良好效果。

因此，随着科学技术的发展，尤其是计算机技术的发展与普及，数据采集技术将有更加广阔的发展前景。

目前高速的数据采集产品多通过PCI或PXI等总线实现与PC机之间的通信。

PCI总线的数据采集卡易受PC机机箱内高频干扰的影响，无法消除高频电磁干扰，从而降低了采样精度。

此外，计算机主板上的插槽个数有限、安装不便且插入到PC机箱内的数据采集卡必须进行资源重新