控制力矩陀螺的框架结构工程分析

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控制力矩陀螺是空间站等长期运行的大型航天器实现姿态精确控制的关键执行机构l1l。它具有输出力矩大、动态响应快 、控制线性度好、效率高等特点，因此在航天领域得到广泛的应用。

控制力矩陀螺由高转速的动量飞轮、支承飞轮的陀螺房 、高速驱动电机、框架(包括伺服驱动系统)等组成。它的框架用于支承陀螺房，并驱动陀螺房转动，通过陀螺房转动迫使动量飞轮的角动量改变方向，从而输出较大的控制力矩，实现对航天器姿态的调节。其T作原理示意图，如图1所示。其中，陀螺G 用于敏感陀螺房的角速度 ，其信号经过转换、放大和校正后反馈给垂直轴上的力矩电机 ，使电机输出控制力矩，驱动陀螺房发生转动，则垂直轴上的旋转变压器 可检测相对转角，从而实现系统的闭环控制。

由于受到航天器承载重量与安装空间的限制 ，要求控制力矩陀螺的框架重量轻、结构紧凑，并具备较高的负载能力；同时为提高系统的稳定精度 ，还应有较高的刚度和谐振频率，以满足系统的带宽要求。因此，在设计过程中有必要对其刚度和模态特性进行工程分析和校验。采用有限元分析法对控制力矩陀螺的框架结构进行了静力学与模态分析，从而为其结构的优化设计提供理论依据。

方位环罔 1 CMG工作原理示意图Fig.1 CMG Schematic Diagram2控制力矩陀螺框架基本结构控制力矩陀螺框架系统为单轴驱动方式，其三维结构，如图2所示。系统的基本结构包括框架、电机组件、旋变组件和控制箱5部分。其中框架设计成上支架和下基座两部分，以便于陀螺房安装到框架基座上。

来稿日期：2012-04-03作者简介：郎跃东，(1980-)，男，辽宁沈阳，工程师，博士，主要研究方向：平台结构设计、虚拟装配136 机 械设 计 与制造NO.2Feb.201 3b)应变分布图5优化后的框架静力学分析结果Fig.5 Optimized Static Mechanics Analysis Results of the Framework框架的应力分布情况，如图5(a)所示。在施加相同载荷和约束的条件下，优化的结构受到的最大压应力为 2.6 MPa，最大抽应力为0.92MPa，框架结构的安全系数提高到 1 13。优化后的框架应变分布情况，如图5(b)所示。其最大压应变为0.018ram，最大拉应变为0.008ram，由此可见优化后的结构变形明显降低，系统精度得到了大幅提高。

4.2振动模态分析与优化在对框架静力学分析的基础上，分析了框架的振动模态，分析其在(0～2000)Hz频率范围内的谐振频率，框架优化前后的1阶模态仿真结果，如图 6所示。由图6(a)中可以看到所获得的 1阶谐振频率为 69.8Hz，频率较低。南图6(b)可见结构优化后的 1阶凿振频率为 104.95Hz，改进后的谐振频率有了大幅的提高。

(a)优化前(b)优化后图6框架模态分析结果 ·Fig.6 Modal Analysis Results of the Frame框架结构优化前后的五阶模态分析结果，如表2所示。从表2中的数据可以看到，结构优化后框架的各阶模态下所得到谐振频率均有所提高，这表明优化后结构的动态特性有了大幅提高。

对框架结构进行力学分析和优化设计后，研制了框架系统的样机，其质量约为 90kg◎架在承受 160kg载重的条件下，系统运行平稳，控制精度高，位置精度达到 20”。系统的振动和噪声都控制在有效范围内，可靠性较高，满足系统的使用要求。

表 2框架优化前后的五阶模态结果Tab.2 5 Modal Results of the Frame Beforeand After Optimization模黼 H眦z)Hz后谐振频率( ) 振型描述 谐振频率( 型描述5结论控制力矩陀螺是大型航天器实现姿态精确控制的关键执行机构之-。以控制力矩陀螺系统的框架为研究对象，利用 ANSYS有限元软件分析其静力学刚度和振动模态等特性。并针对其较薄弱的环节进行优化设计。优化分析的结果表明，改进后的框架结构刚强度大幅提高，同时动态特性也有所改善，从而有效地验证了分析结果的有效性和合理性。