腿式着陆缓冲器的理论模型及优化设计研究

【摘要】： 腿式着陆器用一次性缓冲器因具有工作可靠性高、结构简单、质量轻、体积小、适应工作环境能力强且不会对被保护对象造成二次伤害等诸多优点,从而广泛地应用于星球探测领域中。随着我国探月工程项目的启动,开展腿式着陆器用一次性缓冲器缓冲特性及其相关关键技术的研究,以指导腿式着陆器用缓冲器的设计,具有重要的科技和政治意义。 为指导后续腿式着陆器用缓冲器缓冲特性及其相关理论的研究,给出腿式着陆器及其缓冲器的结构原理,提出腿式着陆器用缓冲器缓冲性能评价方法,用以系统比较各类腿式着陆器用缓冲器的缓冲特性,为腿式着陆器用缓冲器的设计提供理论指导。 以具有双倍孔壁厚度的商用六边形金属蜂窝为研究对象,基于其结构对称性特点,以Y形蜂窝胞元为研究对象,根据能量守恒定理,分别采用Mises屈服准则和Tresca屈服准则建立金属蜂窝材料在异面压缩下静态塑性坍塌应力的理论计算模型和塑性铰长度的理论计算模型。建立金属蜂窝材料的弹性坍塌应力的理论计算模型,分别利用本文建立的金属蜂窝材料在异面压缩下塑性铰长度的理论计算模型和现有文献给出的关于塑性铰长度计算公式,建立金属蜂窝材料极限应变的理论计算模型。通过对18种不同规格铝蜂窝试件进行实验,验证所建立金属蜂窝材料异面压缩下塑性坍塌应力、弹性坍塌应力及极限应变理论计算模型的正确性。为后续金属蜂窝材料在不同温度和应变率下的异面压缩特性研究及腿式着陆器用金属蜂窝缓冲器的设计奠定基础。 建立冲击载荷作用下金属蜂窝材料塑性坍塌应力理论计算模型,通过对12种不同规格铝蜂窝试件在冲击载荷作用下的压缩特性进行实验,验证所建立理论计算模型的正确性。建立不同温度环境及应变率下金属蜂窝材料塑性坍塌应力的理论计算模型,通过实验,验证所建立理论计算模型的正确性。分析金属蜂窝材料的缓冲机理及缓冲特性,提出提高金属蜂窝缓冲器缓冲性能的方法,为腿式着陆器用金属蜂窝缓冲器的设计提供理论依据。以质量和体积最小为目标,以满足设计条件和保证缓冲器安全可靠工作为约束条件,给出腿式着陆器用金属蜂窝缓冲器的优化设计方法,并编制其优化设计的参数化程序,以提高缓冲器的设计效率。 建立冲击载荷作用下泡沫金属塑性坍塌应力理论计算模型,通过对8种不同相对密度泡沫铝试件在冲击载荷作用下的压缩特性进行实验,验证所建立理论计算模型的正确性。建立不同温度及应变率环境下泡沫金属塑性坍塌应力理论计算模型,通过实验,验证所建立理论计算模型的正确性。以质量和体积最小为目标,以满足设计条件和保证缓冲器安全可靠工作为约束条件,给出腿式着陆器用泡沫金属缓冲器的优化设计方法,并编制其优化设计的参数化程序,以提高缓冲器的设计效率。 建立薄壁金属管塑性变形缓冲器在冲击载荷及不同温度环境下缓冲力的理论计算模型、推导薄壁金属管塑性变形缓冲器的变形能力及保证缓冲器安全可靠工作需要满足的条件,为薄壁金属管塑性变形缓冲器的设计提供理论依据。分析缓冲器在缓冲过程中的变形机理,提出提高薄壁金属管塑性变形缓冲器缓冲性能的方法。对蜂窝材料和泡沫材料填充薄壁金属管塑性变形缓冲器的缓冲特性进行试验研究。以质量和体积最小为目标,以满足设计条件和保证缓冲器安全可靠工作为约束条件,给出腿式着陆器用薄壁金属管塑性变形缓冲器的优化设计方法,并编制其优化设计的参数化程序,以提高缓冲器的设计效率。 分析金属蜂窝材料和泡沫金属材料塑性坍塌应力理论计算模型的关系,将金属蜂窝和泡沫金属塑性坍塌应力的理论计算模型统一为关于相对密度的关系式,为后续金属蜂窝和泡沫金属缓冲性能的比较提供理论依据。系统地比较腿式着陆器用金属蜂窝缓冲器、泡沫金属缓冲器及薄壁金属管塑性变形缓冲器的缓冲特性,为腿式着陆器用缓冲器的方案选择提供理论依据和技术指导。