基于有限元法的惯性平台外框架组件失稳倒台动力学分析

    惯性平台作为惯性坐标基准和惯性测量装置，广泛应用在各种运载火箭、导弹以及其它飞行器中，是集机、电、光为一体的复杂精密设备，是航天飞行器飞行控制和制导的核心部件，它的正常与否直接关系到飞行任务成败。

    惯性平台失稳倒台是各种类型惯性平台的常见故障。惯性平台由 3 条稳定回路组成平台稳定系统，当稳定回路的某一环节发生故障时， 会使惯性平台不能稳定在惯性空间，也就是平台失稳，失稳即引起倒台。 失稳倒台发生后，会使平台失效，飞行任务失败。 ANSYS有限单元法是一种常用的数值方法，它通过划分网格的方法将一个连续的系统离散化， 将问题转化为有限个节点的多自由度体系，进而进行有限元方程求解。有限元适用于热力学、动力学等方面，具有很高的计算精度。

    1 系统结构建模及其简化

    真实惯性平台的几何结构比较复杂，建立的几何模型既要保证计算模型与真实物体在结构、材料、尺寸的一致性，又要保证模型的计算效率，因此对惯性平台的倒 角、孔、螺纹等作了省略。 外框架组件所包含的零件十分多，配关系也比较复杂，如果按照真实情况将其全部导入ANSYS Workbench 中，将会给分析带来许多不必要的麻烦，比如材料的指定、接触情况的设置、边界条件的设定等。通过理论分析，影响惯性平台外框架倒台动力学的主要因素是外框 架组件的转动惯量，因此没有必要画出外框架组件的每一个零件，只需要保证外框架绕其转轴的转动惯量与实物一样即可，这样不但简化了所建立的模型结构， 而且更加有利于在ANSYS Workbench 中操作。

   本文利用Pro/Engineer 软件构造出惯性平台基座与外框架组件的简化结构。通过Pro/Engineer 软件的测量功能得到简化的外框架组件的质量和外框架组件的转动惯量，通过调节外框架组件的密度，保证最终得到的简化与实物的转动惯量相同（图1 所示为系统的外框架组件简图和有限元模型）。

    2 惯性平台的分析参数设定

    为了使ANSYS Workbench 对惯性平台的动力学仿真更加有效、准确、符合真实情况，必须详细设定仿真时的各种参数。由于本论文所研究的内容包含运动与力学的分析，所以需要重点考虑的 参数有：1）各个零件的材料；2）挡钉的力学参数；3）接触设置。 下面分别讨论。

    2.1 各个零件的材料

    在该有限元模型中首先需要确定简化后的外框架组件的密度用以保证转动惯量与实物相一致。在Pro/Engineer 中可以通过改变密度来得到关于转轴的不同的转动惯量。最终确定外框架组件的密度为：ρ=7.84×10³kg/m³，此时外框架组件的转动惯量为I =6.6 ×10⁴kg·mm²，与实物相一致。