1 上海卫星装备研究所，上海 200240
2 上海航天技术研究院，上海 201109
针对红外定标器在定标试验过程中因异质材料线膨胀系数不匹配导致结构热失配，造成低温状态下螺栓松动、降温速率慢、温度均匀性差，高温状态下玻璃钢隔热垫压溃等问题，开展大面源、宽温区、多材料体系红外定标器热适配结构优化设计与验证。从法向预紧力调控和面内翘曲变形控制两方面，筛选关键材料，调整装配参数，优化结构参数。采用仿真与试验相结合的手段，探究高低温状态下异质多层结构螺栓预紧力变化规律，验证红外定标器结构安全性和稳定性。最后通过升降温试验验证红外定标器关键技术指标。研究结果表明，选用聚四氟乙烯作为隔热材料，配合不锈钢螺栓，施加初始拧紧力矩介于10~18 N·m之间，调整安装孔孔径为25 mm以上，可有效控制预紧力变化，减小面内翘曲变形。全系统仿真结果表明在高低温状态下，连接安全有效的螺栓比例均达到了90%以上。热适配结构设计与优化可显著提高红外定标器降温速率，改善辐射面低温状态温度均匀性，结构安全性与稳定性满足设计要求。热适配结构优化设计方法可作为同类产品的参考。
红外定标器 热适配结构 预紧力 翘曲变形 infrared calibrator thermal adaptive structure preload warping deformation 红外与激光工程
2023, 52(3): 20220463
1 北京航空航天大学 能源与动力工程学院, 北京 100191
2 北京航空航天大学 可靠性与系统工程学院, 北京100191
压电加速度传感器具有频带宽, 结构简单, 耐高温性能好等特点, 在复杂机械应力和高温应力环境下应用广泛, 是航空发动机健康监测、爆炸冲击监测等应用下必不可缺的器件。对于压电加速度传感器的设计和研究, 常使用有限元仿真法来分析其固有频率、响应及在此基础上的各种机械应力、温度应力下的状态。从压电加速度传感器的原理、结构和有限元仿真的基本流程出发, 调研了压电加速度传感器有限元仿真中的主要问题。按照不同结构类型总结了建立几何模型时的结构简化方法, 分析了螺栓预紧力的主要仿真方法; 区分部分仿真和整体仿真, 总结了固有频率的仿真方法; 按照不同激励, 讨论了不同应力的仿真实现方法。
有限元仿真 压电加速度传感器 结构简化 螺栓预紧力 固有频率 应力仿真 finite element simulation piezoelectric acceleration sensor structure simplification bolt pretension natural frequency stress simulation
1 火箭军工程大学，陕西 西安710025
2 西安交通大学 机械工程学院，陕西 西安 710049
3 中国空气动力研究与发展中心，四川 绵阳 621000
为揭示超声红外热成像检测中缺陷区域的生热机理，考虑预紧力对缺陷生热的影响，采用裂纹试件开展了预紧力分别为100、150、200 N的检测试验，发现裂纹区域温度与预紧力正相关，裂纹两端的生热量明显高于裂纹中段，尖端热斑最明显，且不同预紧力下圆形热斑最明亮。基于单自由度有阻尼位移激励系统和热源温度场叠加法建立了超声激励下裂纹生热的简易数学模型，通过计算参考点P■和裂纹尖端点P■的温度变化，发现P■点温度变化与试验结果一致，随着预紧力增大，P■点的计算结果与试验温升曲线拟合误差减小，且温升速率变化逐渐趋于一致。该模型能够较好地描述裂纹的生热过程，为超声红外热成像检测的加载参数优化提供了模型基础，具有一定的理论意义与工程价值。
生热机理 裂纹 预紧力 超声红外热成像 heat generation mechanism crack preload force ultrasonic infrared thermography 红外与激光工程
2020, 49(S1): 20200158
通过改变预紧力将产品化轴承适应性地应用于不同类型载荷伺服机构, 对降低产品研发成本、提高产品继承性有着极大助益。本文根据启动摩擦力矩和预紧力的关系, 识别出轴端压紧力和过盈摩擦力是轴承装配过程预紧力控制的两项主要影响因素, 并给出了具体数学关系。将轴承过盈配合简化为组合厚壁圆筒模型, 得到了过盈摩擦力计算方程。进一步地, 依据虎克定律和杨氏模量定义, 推导了轴承压装过程中轴端压紧力与轴承预紧力的数学关系, 并在上述基础上, 提出了空间伺服机构装配过程轴承预紧力控制方法。最后, 依托某工程型号伺服机构, 进行了预紧力控制和轴承寿命实验研究。预紧力控制实验结果显示, 所述方法能够有效实现轴承预紧力的控制, 间隙配合、过盈配合理论与实验误差分别为2.6%, 20.3%; 轴承寿命实验结果显示, 采用所述方法装配后的轴承寿命末期回转倾角误差为3.04″, 摩擦力矩为25.8 mN·m, 满足该工程型号空间伺服机构的使用需求。
空间伺服机构 预紧力控制 产品化轴承 装配过程 space servomechanism preload control productized bearing assembling process 光学 精密工程
2019, 27(11): 2384
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 长光卫星技术有限公司, 吉林 长春 130033
3 中国科学院大学, 北京 100039
为实现某型号微小卫星太阳帆板的压紧释放, 研制了一种小型熔线式压紧释放机构。首先, 设计了可测量预紧力的压紧机构, 得到扭矩与预紧力的2倍关系, 给出了预紧力的确定方法。然后, 根据绳索特点, 设计了具有电阻调节功能的解锁机构, 增强了对电源的适应能力, 满足了微小卫星快速模块化布局。最后, 进行了熔断特性实验与熔断参数设计, 得到熔断时间与电流的函数关系, 确定了该型号卫星解锁的熔断功率为6.25 W, 熔断时间为(6±1) s。 开展了实验室环境与真空环境下的可靠性验证实验, 结果表明: 所设计的压紧释放机构工作可靠, 适用于微小卫星展开机构, 且具有较好的通用性与扩展性。该项研究对微小卫星太阳帆板压紧释放装置设计和空间展开机构设计具有指导意义。
微小979卫星 太阳帆板 压紧释放机构 预紧力 micro-satellite solar panel hold-down and release mechanism pretightening force
1 中科院南京天文仪器研制中心，江苏南京 210042
2 中国科学院大学，北京 100039
3 合肥工业大学，安徽合肥 230009
4 中科院南京天文仪器有限公司，江苏南京 210042
为了满足光学平台在低温下（－213℃）的光学设计稳定性要求，本文设计了一种温度补偿结构，基于材料热膨胀系数随温度变化的原理对该结构进行了理论计算和实验验证。该结构通过控制螺栓的预紧力保证连接件可靠，并使殷钢板在低温下处于自由伸缩状态；并利用在低温下因瓦合金变形极小补偿不锈钢变形带来的误差。其光学系统的在低温下的指标RMS≤?/10，?＝632.8 nm。理论表明，在低温下因瓦合金的最大变形量为0.24884mm，不锈钢的最大变形量为2.910mm；实验结果表明：在常温和低温下用干涉仪测得的光学系统的面形精度分别为RMS＝?/13、RMS＝?/12，?＝632.8 nm。在低温下能较好满足光学设计稳定性要求。
低温（－213℃） 光学设计稳定性 温度补偿 不锈钢变形 螺栓预紧力 热膨胀系数 at low temperature of －213℃ optical stability of optical design temperature compensation deformation of stainless steel bolt pre-tightening force coefficent of thermal expansion
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
针对精密反射镜的重力变形，提出了一种基于径向预紧力的变形补偿方法。以高数值孔径(NA)投影光刻物镜中的反射镜为研究对象，建立了反射镜的受力模型，定性分析了径向预紧力对反射镜重力变形的影响规律。利用有限元分析方法得到了在不同径向预紧力作用下反射镜的面形变化，通过数据拟合分析了径向预紧力与面形误差及其泽尼克系数之间的关系。分析结果表明：径向预紧力主要影响反射镜面形的球差项和三叶像差项；随着径向预紧力的增大，补偿后的面形误差呈现先减小后增大的趋势，当径向预紧力约为25 N 时，由于重力导致的面形误差由2.009 nm 减小为0.462 nm，补偿结果最优。通过实验测量了重力和预紧力作用下反射镜的面形误差，当径向预紧力为25 N 时重力导致的反射镜面形误差减小了0.988 nm，从而验证了分析过程和补偿方法的正确性。
光学器件 表面变形 面形补偿 预紧力 有限元方法
中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
反射镜组件作为空间相机的重要组件,在进行组件装配时,不但要保证其联接结构具有足够的联接预紧力以抵御动载荷或工作温度变化带来的影响,还要准确控制拧紧力矩避免对镜面面形造成较大的影响.以某空间相机的主镜组件为例,对螺钉防松的工作机理、采用防松粘接剂情况下的实际紧固力矩计算、对反射镜镜面的影响等方面进行了分析计算,并进行了试验验证.分析及试验结果表明,不同的螺钉防松胶对拧紧力矩、预紧力及反射镜面形造成较大的影响,其中,与不使用防松胶相比,硅橡胶(GD-414)和厌氧胶(J-222)对镜面面形的影响分别增加了31.9%和74%.在使用螺钉防松胶进行防松处理时,应根据不同防松胶的具体特性,调整螺钉拧紧力矩,在联接环节具有较高可靠性的同时,降低其对反射镜面形的影响.
螺钉防松胶 空间相机 反射镜组件 镜面面形 拧紧力矩 预紧力 looseness-proof adhesive space camera mirror subassembly mirror surface figure tightening torque pre-tightening force
中国船舶重工集团公司 第七一三研究所, 郑州 450015
轨道发射器通电轨道要承受很大的电磁扩张力，为了控制发射器口径形变，避免烧蚀，通常要在发射装置的封装层上施加预紧力。针对具体发射装置，运用三维耦合场对不同螺栓预紧力下的口径形变进行了计算，并进行了相关试验。试验结果表明，须将口径形变百分比控制在0.61%以内，方可实现无烧蚀发射。
轨道发射 预紧力 耦合场 等离子体 rail launch pre-compression coupling field plasma 强激光与粒子束
2015, 27(4): 045005
合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院, 安徽 合肥 230009
结合惯性导航测试设备精密轴系的技术要求, 研发了滚动轴承综合参数测试仪。该测试仪能检测轴承回转过程中的摩擦力矩、轴承刚度及几何精度, 并能以图表或曲线的形式给出摩擦力矩与轴系预紧载荷、预紧载荷与轴承轴向位移等的关系。该系统集成了压力、位移、力矩等类型的传感器, 在虚拟仪器平台上设计硬件控制、测量系统和软件, 具有可扩展性好, 成本低等特点。该系统将装配中难以控制的最佳预紧力转换为对轴承隔套高度差的控制问题, 较好地解决了轴系装配过程中的最佳预紧问题并保证了轴系具有平稳的摩擦力矩。测量轴系的摩擦力矩特性显示, 在8 r/min转速下, 运行平稳后的转动摩擦力矩为(0.62±0.16) Nm。该实验数据为控制转台的低速率运动和建立准确的补偿干扰力矩模型提供了理论依据。
角接触球轴承 摩擦力矩检测 预紧力 预紧量 综合参数测量仪 angular contact bearing frictional torque measurement preload force preload displacement multi-parameter measuring instrument 光学 精密工程
2014, 22(11): 3038
