:Tel:(010),,磁扭力器结构规格对其关键部位挠度影响上海民航航天学院，上海；2.广州控制工程研究所，上海）摘要：在传统的磁扭力器设计过程中，仅对其支架位置进行了简化设计，未进行严格的解析及数值模拟估算，且未考虑磁扭力器支架的几何参数对其挠度水平的影响。针对此问题，文章分别从解析估算和有限元数值模拟两个方面着手，研究了磁扭力器的支架位置以及支架几何参数对其挠度水平的影响，给出了磁扭力器的挠度水平关于不同几何参数的变化趋势。在这种几何参数中，螺丝半径对于改善挠度分布的作用最为显著，因而当挠度不满足要求时可以通过减小螺丝半径快速地增加整个磁扭力器的挠度水平。关键词：磁扭力器；挠度估算；有限元数值模拟；优化设计中图分类号：V415.1文献标志码：A文章编号：1673-1379(2014)01-0092-05DOI:10.3969/j.issn.1673-1379.2014.01.,,rsity,,China;,,China):ion,,ods.t..:;;;序言作为卫星的重要执行机构，磁扭力器形成磁场并与月球磁场互相作用而形成转矩，以用于卫星动量轮系统的卸载[1]。
若磁扭力器发生故障，则卫星只能采用喷气卸载，将消耗大量的推动剂，造成卫星寿命的减短[2]。磁扭力器的内部挠度对其性能有影响，而结构规格对其关键部位挠度控制有影响。为了保证磁扭力器高可靠的工作，在设计阶段须要对其进行优化设计，以期在同样的技术指标要求下挠度最小。在传统的磁扭力器设计过程中，仅依照经验公式对磁扭力器的支架位置进行了优化设计，并未进行过严格的有限元数值模拟估算。收稿日期：2013-09-30；修回日期：2013-12-26本文从解析估算及有限元数值模拟两个方面着手，研究磁扭力器的支架位置以及支架结构规格对其挠度水平的影响，给出磁扭力器的挠度水平相对于结构规格的变化趋势，因而为磁扭力器的进一步优化设计提供参考。解析估算典型的磁扭力器结构如图所示，主要由工作执行和固定安装两部分组成。工作执行部份的作用是形成磁场，产生转矩；固定安装部份的作用是将工作执行部份固定在卫星上，包括两个金属支架和固定螺丝[3]。为了易于估算剖析，将模型座标系定轴与棒体锥面及安装面平行，y轴与安装面垂直，z轴与棒体轴线方向平行（见图典型的磁扭力器Fig.考虑到磁扭力器在发射及工作过程中遭到的荷载主要以惯性加速度为主，且不同方向的加速度荷载会对其引起不同的挠度水平磁力矩方向，因而本文主要以于最低的挠度水平。
梁模型的简化Fig.方向的加速度荷载当加速度荷载为方向时，磁扭力器棒体可简化为单轴拉伸模型（见图4）。图中：q为均布荷载，磁扭力器的棒体挠度和支架固定螺丝处的挠度为对象，研究磁扭力器在加速度荷载作用下，不同的支架几何参数对这两个关键部位挠度水平的影响。1.1棒体挠度剖析在对磁扭力器棒体挠度进行解析估算时，将模大小为ma/l；RA、RB表示单轴拉伸模型)型简化为如图向加速度荷载条件下，棒体的挠度分布是一致的，但与轴加速度载Fig.-按照力平衡条件及AB段伸长量为的变型协调条件[5]，可以估算出悬臂段最大挠度为荷条件下的挠度水平存在很大差别。4q2/(πd0简化模型Fig.方向的加速度荷载当加速度荷载为方向时，可以进一步将模型分解：两端为悬臂梁模型，中间段为两端固支梁模型（见图3）。图中：q为均布荷载，大小为ma/l（m表示磁扭力器棒体的质量；a表示磁扭力器遭到的最大加速度；b表示棒体锥面距支架距离；4q(0.5lb)2/(πd0)，d0为棒体半径。据此可以得出：b0.25l时，棒体最大挠度随0.25l时，棒体最大挠度随单调递减。
为了就能更直观地比较在不同方向加速度荷载条件下磁扭力器棒体的挠度水平大小，我们估算取不同值时棒体的最大挠度值，并勾画相应曲线（见图5）。因为挠度在方向具有对称性，因而图中σry可以同时表示方向加速度荷载时棒体的最大挠度，σrz表示方向加速度荷载时棒体的最大应力。由图可以看出：曲线σry是关于的凹函数，在b=0.22lσry为极小值；σrz是关于表示棒体总长）；RA、RA′、RB′表示A、A′、B′支点的支反力；MA、MA′、MB′表示反扭矩。对于悬臂梁模型，其最大挠度坐落面处，挠度值大小为σA=σB=qb2/(2Wz)，Wz方向的惯性矩。对于两端固支梁模型，属于静不定问题[4]，引入A′、B′处拐角为的变型协调多项式，确定棒体中间段梁上的最大挠度坐落A′、B′两端，最大挠度为σA′=σB′=q(l2b)2/(12Wz)；据此，可以计的先递减再递增函数；σrz大于σry。之间的关系Fig..2螺丝挠度剖析方向的加速度荷载时，基座螺母πKd3sπd2424dtπKd3sπd2从式(1)中可以看出磁力矩方向，σrx为关于递减的函数。磁扭力器受方向加速度荷载时，基座螺母处的受力模型如图方向受加速度荷载时螺母受力模型Fig.)单个螺钉的等效挠度为方向受加速度荷载时螺母受力模型Fig.-栓宽度；t为螺丝安装边长度；d为螺丝半径；Fx1、4TπKd3πd2Fx2、Fx3、Fx4个螺丝所受剪切力；Fy1、Fy2、Fy3、Fy4个螺丝所受拉（压）力。
考虑螺丝所受预紧力，假定预紧扭矩为T，这么预紧力为F0=T/Kd，其中为旋紧扭力系数[6]，查指南可以得到具体值。则单个螺钉的VonMises等效挠度为由式(2)可以看出，σry为关于递减的函数。磁扭力器受方向加速度荷载时，基座螺母处的受力模型如图所示。单个螺钉的VonMisesxyyzzx