一种回转式小行星采样装置的扭矩动力学仿真方法与流程

1.本发明属于深空探测仿真分析技术领域，尤其涉及一种回转式小行星采样装置的扭矩动力学仿真方法。


背景技术：

2.小行星采样探测是空间科学与深空探测研究的热点方向之一，是研究太阳系起源演变和形成规律的重要手段。小行星表面承载着丰富的科学信息，同时含有丰富的稀有元素与贵金属，具有巨大的利用价值。开展小行星采样探测活动，具有重要的科学与工程意义。
3.小行星体积与质量很小，使其表面几乎没有重力，这就导致在小行星表面无法实现长期着陆采样。同时，采样过程所产生的反作用力可能会将取样器推离小行星，这一特征使得传统的挖掘采样、钻孔采样等方法难以应用，需要采用新型的、采样作用力小的取样方式。
4.由于小行星距地球较远，且将器件带上空间的成本巨大，所以采样器在要求高度可靠性的同时又要保证轻量化。电机是机械系统的重要动力来源，其型号的选择对于空间采样探测任务至关重要，这就需要预测采样过程所需的扭矩。由于难以在地球模拟无重力的太空实验环境，空间中的运动预测主要通过运动仿真的方法进行验证。如何准确地预测并验证扭矩，使其结果的精度更高，已成为现阶段的一个技术难点。


技术实现要素：

5.针对以上问题，本发明提出一种回转式小行星采样装置的扭矩动力学仿真方法，用于预测在微重力的太空环境下回转机构的扭矩，以此作为小行星采样装置设计的重要指标与优化目标。
6.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种回转式小行星采样装置的扭矩动力学仿真方法，包括：设置待采样颗粒层模型、采样装置模型、二者之间的接触参数，添加采样装置运动构件的连接约束和驱动力；仿真采样过程，输出采样装置运动构件的扭矩-时间曲线图，用于观测仿真结果、迭代仿真不断修正采样装置模型。
7.所述该方法包括以下步骤：
8.步骤1：根据dem离散元方法，在edem中设置颗粒层；
9.步骤2：建立采样装置模型，将简化后的模型分别导入adams和edem中，设定采样器各零部件的材料参数；
10.步骤3：在edem中设置颗粒与颗粒间的接触参数和颗粒与材料间的接触参数；
11.步骤4：对采样装置模型的两个转轴施加回转约束，对采样装置模型的外壳施加位移约束，并将轴承连接件与采样器外壳固连，同时根据工况情况分别对两个约束设置驱动力；
12.步骤5：对采样过程进行仿真分析，在adams中对每个运动构件添加一般力矢量
gforce，设置仿真时间步长，打开edem耦合仿真接口，启动edem-adams耦合仿真；
13.步骤6：仿真结束后，进入adams后处理界面，输出扭矩-时间曲线图，标记其峰值，以此获取采样过程中采样轮刷的最大扭矩。
14.所述颗粒层用于模拟小行星表面风化层，颗粒模型为根据月壤的材料参数建立，颗粒大小范围为4～25mm；颗粒模型参数包括颗粒尺寸大小、形状以及颗粒材质的密度、泊松比和剪切模量；采样器各零部件的材料参数包括材料的密度、泊松比和剪切模量。
15.所述的采样装置为所述的采样装置为对称回转式结构，包括采样器外壳、2个采样轮刷、轴承连接件；采样轮刷通过轴承连接件与采样器外壳内壁转动连接，2个采样轮刷相对反向旋转，所述采样轮刷包括基轴和毛刷，圆柱体毛刷均布在基轴的外表面上且交错排布；所述采样器外壳还设在直线模组上使得采样器沿直线模组做上下往复运动。所述采样器外壳的材料为亚克力，采样轮刷和轴承连接件的材料为6061铝合金，相关参数可通过指导手册查询方法获得。
16.所述采样器外壳包括样品箱和设在其下部的导流罩，样品箱顶部中央向下延伸形成导向角、底部与导流罩连通，样品箱底部边缘设置挡料板。
17.所述颗粒与颗粒间的接触参数通过查询手册获得，颗粒与采样装置材料间的接触参数包括恢复系数、滑动摩擦系数和滚动摩擦系数，通过参数标定试验的方式获得。
18.所述采样轮刷的最大扭矩的获取过程需要重新调整采样轮刷工况参数以及采样轮刷结构参数迭代仿真来计算。所述工况参数包括：采样器下降位移与降落时间、转轴转速与启动时刻、重力加速度、材料参数、厚度属性；结构参数包括采样轮刷间距、采样轮刷刷毛的形状与排列方式。
19.所述的回转约束是指对两个轮刷施加相对于采样器外壳的回转约束，左侧轮刷设定为逆时针方向，右侧轮刷设定为顺时针方向；所述的位移约束是指对采样器外壳施加相对于地面的位移约束，并将轴承连接件与采样器外壳固连，实现采样装置位移同步。
20.所述一般力矢量gforce为三个方向力和三个方向力矩的合集，所述仿真时间步长为仿真总时间与仿真步数的比值，并通过设置cosim文件启动edem-adams耦合仿真。
21.在耦合仿真结束后的adams后处理界面，选择以一般力矢量gforce为对象，扭矩torque为特征输出扭矩-时间曲线图，在图中标记扭矩峰值，获取采样过程中的最大扭矩；通过adams后处理界面，输出采样轮刷与颗粒接触时的扭矩信息，通过edem输出颗粒的运动的可视化视图。
22.本发明具有以下的优点及有益效果：
23.1、本发明提出了一种针对回转式小行星采样装置的非线性动力学扭矩仿真方法，给小行星采样机构的设计提供了重要的参考指标。
24.2、本发明所提出的方法可以优化对称回转式采样机构的结构参数。
25.3、本发明针对微重力外太空环境中的小行星采样机构进行过程仿真，提高了机械系统的可靠性，确保任务的顺利完成。
附图说明
26.图1为本发明所提出的方法流程图；
27.图2为回转式小行星采样装置简化三维几何模型的左右二等角轴测图；
28.图3为回转式小行星采样装置简化三维几何模型的爆炸视图；
29.图4为采样器外壳简化三维几何模型的剖视图；
30.图5为某次仿真结束后通过adams后处理输出的扭矩-时间曲线图；
31.图6为回转式小行星采样装置采样过程耦合仿真过程展示图；
32.其中：1为采样器外壳，2为采样轮刷，3为轴承连接件，4为导向角，5为挡料板，6为样品箱，7为导流罩。
具体实施方式
33.为了使本发明的目的、特征和优点更加清晰，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述。
34.如图1所示为本发明的方法流程图。
35.该方法包括以下步骤：
36.1)根据dem离散元的方法，利用颗粒物质建立小行星表面风化层模型。在edem中设置相关颗粒与材料参数，采用hertz-mindlin模型。dem模型的颗粒粒径大小可设置为4～25mm，本实例统一采用粒径大小为6mm的单球颗粒模型。除粒径大小与颗粒形状外，颗粒参数还包括颗粒本身的密度、泊松比和剪切模量。材料参数包括采样器各部件型材的密度、泊松比和剪切模量，此外还包括颗粒与颗粒间、颗粒与材料间的恢复系数、静摩擦系数和动摩擦系数。本实例设置一种颗粒和三种材料，总共需要设置24个不同的参数，以上参数均可通过查询手册和标定试验等途径获得。
37.2)通过物料参数标定方法可以获得颗粒与材料间的接触参数。其中，颗粒与材料间的恢复系数可通过测量颗粒在特定材料上的回弹高度来计算，其恢复系数等于回弹高度与下落高度的比值；颗粒与材料间的摩擦系数可以通过斜板试验计算得出，匀速抬升由不同材料组成的斜板，让斜板上的颗粒随着斜板抬升自行滑落，记录此时的斜板倾斜角，该颗粒在此斜板材料上的摩擦系数即为斜板倾斜角的正切值，单独放置颗粒可以测量其滚动摩擦系数，将若干颗粒粘在一个平面上可以测量其滑动摩擦系数。
38.3)真实采样器内部结构较为复杂，直接用于仿真就会降低效率甚至报错，为此需要对采样器结构进行简化，保留采样轮刷这一重要结构，将轴承连接件等固定装置简化为一个零件，将导流罩、样品箱、导向角和挡料板集合简化为一个零件，化繁为简，有利于后续的运动参数设定。
39.4)根据采样器下落位移与时间、采样轮刷工作转速、环境重力加速度的工况条件不同，对采样器运动部件设置不同的连接关系与驱动参数。其中，采样轮刷定轴转动，应在其回转轴线质心处建立一刚性转轴，约束其位移与转速；采样器其他部件依照采样流程向下移动，应在各个部件的质心处施加回转约束，为简化操作流程，可仅对采样器外壳施加位移约束，并将其余零部件与之固连，从而实现位移同步。在各个部件各自运动约束关系的基础上，根据工况条件，以函数的形式添加驱动，满足其运动学要求。
40.5)对每一个运动构件添加一个一般力矢量，并以子程序的形式定义每个一般力矢量。采用cosim文件进行耦合连接，事先应在cosim文件内设置相应的耦合部件。在edem的求解器中设置合适的时间步长，并以adams为基础建立edem-adams耦合仿真。
41.6)在耦合仿真结束后的adams后处理界面，选择以一般力矢量gforce为对象，扭矩
torque为特征输出扭矩-时间曲线图，在图中标记扭矩峰值，即为整个采样过程中的最大扭矩。
42.7)通过edem输出颗粒的运动信息可以直观的显示采样效果。
43.如图2所示为回转式小行星采样装置简化三维几何模型的左右二等角轴测图。
44.如图3所示为该结构的爆炸视图。其中1为简化后的采样器外壳，2为采样轮刷，3为简化后的轴承连接件。
45.如图4所示为简化后的采样器外壳的剖视图。其中4为60
°
的导向角，顶部为r2的圆角，5为挡料板，6为样品箱，7为导流罩。
46.采样轮刷在进行回转对称运动的过程中，下方的颗粒物质会被卷起，在微重力环境下获得初速度向上运动，通过导流罩后与导向角4碰撞，部分粒径较小的颗粒将越过挡料板5进入样品箱6中，完成对小行星表面样品的采集任务。
47.如图5所示为某次仿真结束后，adams后处理界面输出的单一采样轮刷的扭矩-时间曲线图。设定中采样轮刷绕x轴转动，因此需要特别关注沿x轴方向的扭矩。可以通过adams后处理中的滤波曲线过滤掉无关的高频冲击信号。通过分析曲线可知，在本次仿真中，采样轮刷最大扭矩为0.9n
·
m。
48.如图6所示为回转式小行星采样装置采样过程耦合仿真示意图，该图与仿真动画均可在edem中调用。通过观测采样过程的仿真结果，不断修正采样轮刷转速与采样时间等工况参数，以及采样轮刷间距、采样轮刷刷毛的形状与排列方式等结构参数，来提高采样效率，并从中提取出采样轮刷的最佳额定转矩，为小行星采样装置的结构设计提供参数指标的理论支持。
49.以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。