空间连接与分离用胀断器建模与有限元分析
Modeling and Finite Element Analysis of Expansion Fracture Devices for Spacecraft Joining and Separating
DOI: 10.12677/mos.2025.144281, PDF,   
作者: 王志强:上海理工大学机械工程学院,上海
关键词: 胀断器切槽螺栓正交实验NiTi合金Expansion Fracture Device Grooved Bolt Orthogonal Experiment NiTi Alloy
摘要: 使用切槽螺栓和NiTi合金作为关键部件的胀断器逐步被应用到航天器各种部件的连接与分离中。切槽螺栓的破断力受到多种因素的影响,进而影响胀断器的承载能力。以切槽螺栓为研究对象,基于ANSYS Workbench平台进行有限元分析计算。首先,利用SolidWorks软件建立切槽螺栓的三维几何模型。然后,建立网格模型并进行有限元计算。通过设计正交实验,考虑切槽深度,切槽宽度和预紧力矩对胀断器承载性能的影响,探究不同组合下切槽螺栓的承载能力。最后结合NiTi合金管的回复力优选出最大承载能力为42.34 Kg的切槽螺栓参数组合,其中切槽深度为0.9 mm,切槽宽度为3 mm,预紧力矩为6 Nm。
Abstract: Expansion Fracture Devices, which utilize grooved bolts and NiTi alloy as key components, are increasingly being employed for the connection and separation of various spacecraft components. The fracture force of grooved bolts is influenced by multiple factors, thereby affecting the load-bearing capacity of the expandable separation device. With grooved bolts as the research object, finite element analysis (FEA) was performed using the ANSYS Workbench platform. Initially, a three-dimensional geometric model of the grooved bolt was developed using SolidWorks software. An orthogonal experiment was designed to evaluate the effects of groove depth, groove width, and preload torque on the load-bearing performance of the expandable separation device, and to investigate the load-bearing capacity of the grooved bolt under various combinations. Finally, by leveraging the restoring force of the NiTi alloy tube, the optimal grooved bolt parameter combination was identified, achieving a maximum load-bearing capacity of 42.34 kg with a groove depth of 0.9 mm, a groove width of 3 mm, and a preload torque of 6 Nm.
文章引用:王志强. 空间连接与分离用胀断器建模与有限元分析[J]. 建模与仿真, 2025, 14(4): 229-237. https://doi.org/10.12677/mos.2025.144281

参考文献

[1] 陈春苹. 空间飞行器释放分离技术专利分析[J]. 军民两用技术与产品, 2024(8): 33-39.
[2] 叶耀坤, 刘天雄, 温玉全, 等. 航天火工连接分离机构设计技术研究[J]. 载人航天, 2016, 22(1): 62-68.
[3] 张增阳, 郭超飞, 王辉, 等. 航天火工装置选用目录编制研究[J]. 航天标准化, 2024(3): 15-18.
[4] 赵相禹, 赵春娟, 张雷, 等. 微纳卫星火工冲击载荷缓冲装置设计及验证[J]. 振动与冲击, 2023, 42(3): 187-192.
[5] Yue, H., Yang, Y., Lu, Y., Yang, F., Wu, J., Ruan, Q., et al. (2022) Research Progress of Space Non-Pyrotechnic Low-Shock Connection and Separation Technology (SNLT): A Review. Chinese Journal of Aeronautics, 35, 113-154.
[6] 崔江梅, 杜旭荧, 从保强, 等. 基于NiTi形状记忆合金的航空解锁装置设计与研制[J]. 机械设计, 2023, 40(12): 91-96.
[7] 王国辉, 张宏剑, 吴会强. 运载火箭非火工分离机构技术发展与展望[J]. 宇航学报, 2023, 44(3): 334-347.
[8] 吴军, 周国华, 刘望. 航天非火工压紧释放装置研究综述[J]. 航天器工程, 2023, 32(1): 125-137.
[9] 李雪梅, 王萌, 刘彦豪, 等. 航天器非火工分离装置接触建模与仿真分析[J]. 振动与冲击, 2023, 42(6): 298-306.
[10] Tuszynski, A. (2002) Alternatives to Pyrotechnics-Nitinol Release Mechanisms. Proceedings of the 36th Aerospace Mechanisms Symposium, Cleveland, Ohio, USA, 2002, 137-139.
[11] 杨华, 张中元, 王龙, 等. 影响螺栓预紧力因素的工艺研究[J]. 机电工程技术, 2020, 49(3): 51-52.
[12] 王伟豪, 马明霞, 黄海涛, 等. 基于ANSYS Workbench平台的航空工艺螺栓连接分析[J]. 安阳工学院学报, 2024, 23(6): 18-21.
[13] 徐同强, 司朝兵, 钱诗进. 基于ANSYS与Solidworks Simulation的轴承通用支撑结构设计方案与应力分布的对比研究[J]. 纺织机械, 2024(6): 64-66.
[14] 《中国航空材料手册》编辑委员会. 中国航空材料手册: 第8卷: 橡胶密封剂[M]. 北京: 中国标准出版社, 2002.
[15] 岳烜德, 韩子默, 张洪浩. 预紧力对复合材料螺栓接头拉伸力学性能影响的仿真研究[J]. 机械制造与自动化, 2025, 54(1): 175-179.
[16] 赵伟. 基于ABAQUS的标准拉伸试样仿真校核研究[J]. 机械工程与自动化, 2024(6): 120-122.
[17] 幸雪松, 邱浩, 文敏, 等. 基于正交实验法射孔参数优化设计数值模拟[J]. 科学技术与工程, 2022, 22(25): 10952-10957.