:Tel:(010),,磁扭力器結構規格對其關鍵部位撓度影響上海民航航天學院，上海；2.廣州控制工程研究所，上海）摘要：在傳統的磁扭力器設計過程中，僅對其支架位置進行了簡化設計，未進行嚴格的解析及數值模擬估算，且未考慮磁扭力器支架的幾何參數對其撓度水平的影響。針對此問題，文章分別從解析估算和有限元數值模擬兩個方面著手，研究了磁扭力器的支架位置以及支架幾何參數對其撓度水平的影響，給出了磁扭力器的撓度水平關于不同幾何參數的變化趨勢。在這種幾何參數中，螺絲半徑對于改善撓度分布的作用最為顯著，因而當撓度不滿足要求時可以通過減小螺絲半徑快速地增加整個磁扭力器的撓度水平。關鍵詞：磁扭力器；撓度估算；有限元數值模擬；優化設計中圖分類號：V415.1文獻標志碼：A文章編號：1673-1379(2014)01-0092-05DOI:10.3969/j.issn.1673-1379.2014.01.,,rsity,,China;,,China):ion,,ods.t..:;;;序言作為衛星的重要執行機構，磁扭力器形成磁場并與月球磁場互相作用而形成轉矩，以用于衛星動量輪系統的卸載[1]。
若磁扭力器發生故障，則衛星只能采用噴氣卸載，將消耗大量的推動劑，造成衛星壽命的減短[2]。磁扭力器的內部撓度對其性能有影響，而結構規格對其關鍵部位撓度控制有影響。為了保證磁扭力器高可靠的工作，在設計階段須要對其進行優化設計，以期在同樣的技術指標要求下撓度最小。在傳統的磁扭力器設計過程中，僅依照經驗公式對磁扭力器的支架位置進行了優化設計，并未進行過嚴格的有限元數值模擬估算。收稿日期：2013-09-30；修回日期：2013-12-26本文從解析估算及有限元數值模擬兩個方面著手，研究磁扭力器的支架位置以及支架結構規格對其撓度水平的影響，給出磁扭力器的撓度水平相對于結構規格的變化趨勢，因而為磁扭力器的進一步優化設計提供參考。解析估算典型的磁扭力器結構如圖所示，主要由工作執行和固定安裝兩部分組成。工作執行部份的作用是形成磁場，產生轉矩；固定安裝部份的作用是將工作執行部份固定在衛星上，包括兩個金屬支架和固定螺絲[3]。為了易于估算剖析，將模型座標系定軸與棒體錐面及安裝面平行，y軸與安裝面垂直，z軸與棒體軸線方向平行（見圖典型的磁扭力器Fig.考慮到磁扭力器在發射及工作過程中遭到的荷載主要以慣性加速度為主，且不同方向的加速度荷載會對其引起不同的撓度水平磁力矩方向，因而本文主要以于最低的撓度水平。
梁模型的簡化Fig.方向的加速度荷載當加速度荷載為方向時，磁扭力器棒體可簡化為單軸拉伸模型（見圖4）。圖中：q為均布荷載，磁扭力器的棒體撓度和支架固定螺絲處的撓度為對象，研究磁扭力器在加速度荷載作用下，不同的支架幾何參數對這兩個關鍵部位撓度水平的影響。1.1棒體撓度剖析在對磁扭力器棒體撓度進行解析估算時，將模大小為ma/l；RA、RB表示單軸拉伸模型)型簡化為如圖向加速度荷載條件下，棒體的撓度分布是一致的，但與軸加速度載Fig.-按照力平衡條件及AB段伸長量為的變型協調條件[5]，可以估算出懸臂段最大撓度為荷條件下的撓度水平存在很大差別。4q2/(πd0簡化模型Fig.方向的加速度荷載當加速度荷載為方向時，可以進一步將模型分解：兩端為懸臂梁模型，中間段為兩端固支梁模型（見圖3）。圖中：q為均布荷載，大小為ma/l（m表示磁扭力器棒體的質量；a表示磁扭力器遭到的最大加速度；b表示棒體錐面距支架距離；4q(0.5lb)2/(πd0)，d0為棒體半徑。據此可以得出：b0.25l時，棒體最大撓度隨0.25l時，棒體最大撓度隨單調遞減。
為了就能更直觀地比較在不同方向加速度荷載條件下磁扭力器棒體的撓度水平大小，我們估算取不同值時棒體的最大撓度值，并勾畫相應曲線（見圖5）。因為撓度在方向具有對稱性，因而圖中σry可以同時表示方向加速度荷載時棒體的最大撓度，σrz表示方向加速度荷載時棒體的最大應力。由圖可以看出：曲線σry是關于的凹函數，在b=0.22lσry為極小值；σrz是關于表示棒體總長）；RA、RA′、RB′表示A、A′、B′支點的支反力；MA、MA′、MB′表示反扭矩。對于懸臂梁模型，其最大撓度坐落面處，撓度值大小為σA=σB=qb2/(2Wz)，Wz方向的慣性矩。對于兩端固支梁模型，屬于靜不定問題[4]，引入A′、B′處拐角為的變型協調多項式，確定棒體中間段梁上的最大撓度坐落A′、B′兩端，最大撓度為σA′=σB′=q(l2b)2/(12Wz)；據此，可以計的先遞減再遞增函數；σrz大于σry。之間的關系Fig..2螺絲撓度剖析方向的加速度荷載時，基座螺母πKd3sπd2424dtπKd3sπd2從式(1)中可以看出磁力矩方向，σrx為關于遞減的函數。磁扭力器受方向加速度荷載時，基座螺母處的受力模型如圖方向受加速度荷載時螺母受力模型Fig.)單個螺釘的等效撓度為方向受加速度荷載時螺母受力模型Fig.-栓寬度；t為螺絲安裝邊長度；d為螺絲半徑；Fx1、4TπKd3πd2Fx2、Fx3、Fx4個螺絲所受剪切力；Fy1、Fy2、Fy3、Fy4個螺絲所受拉（壓）力。
考慮螺絲所受預緊力，假定預緊扭矩為T，這么預緊力為F0=T/Kd，其中為旋緊扭力系數[6]，查指南可以得到具體值。則單個螺釘的VonMises等效撓度為由式(2)可以看出，σry為關于遞減的函數。磁扭力器受方向加速度荷載時，基座螺母處的受力模型如圖所示。單個螺釘的VonMisesxyyzzx
