董長林， 尚 坤， 周仕明， 李道奎*

（1.國防科技大學(xué)空天科學(xué)學(xué)院， 長沙 410073； 2.空天任務(wù)智能規(guī)劃與仿真湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 長沙 410073；3.中國航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100094）

1 引言

艙外航天服主要用于航天員艙外作業(yè)時(shí)維持其所必須的生存環(huán)境，但航天服充氣后，由于內(nèi)外壓差、運(yùn)動(dòng)過程中體積變化等因素的影響，關(guān)節(jié)處會(huì)產(chǎn)生較大的阻力矩，從而降低航天員的操作能力。 因此關(guān)節(jié)阻力矩大小是評(píng)價(jià)航天服性能的主要指標(biāo)，確定和預(yù)測關(guān)節(jié)阻力矩在航天服設(shè)計(jì)與應(yīng)用中具有重要意義。

目前，研究人員主要通過實(shí)驗(yàn)、理論、數(shù)值模擬等方法確定關(guān)節(jié)阻力矩。 Vykukal 等介紹了一種航天服關(guān)節(jié)阻力矩的測量裝置，多應(yīng)用于外置法測量。 Matty提出了一種水平面內(nèi)的阻力矩測量方法，能夠消除重力的影響，并在工程中得到廣泛應(yīng)用。 基于該方法，Meyen 等針對(duì)航天服軟關(guān)節(jié)進(jìn)行了內(nèi)置法實(shí)驗(yàn)，得到了航天服關(guān)節(jié)阻力矩。 Schmidt將航天服分別簡化為膜模型和梁模型，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明航天服力學(xué)特性更符合膜模型的特點(diǎn)，即關(guān)節(jié)阻力矩特性主要由壓縮氣體導(dǎo)致。 劉文樵等提出了一種利用龍門式模臺(tái)滑組的外置法實(shí)驗(yàn)方法，保證了測量過程中的關(guān)節(jié)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)及轉(zhuǎn)角測量的準(zhǔn)確性。 王曉東等開展了航天員艙外作業(yè)上肢關(guān)節(jié)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)關(guān)節(jié)阻力矩不僅具有遲滯特性，而且具有與運(yùn)動(dòng)歷程相關(guān)的特性。 上述內(nèi)置法及外置法實(shí)驗(yàn)方法，NASA及中國航天員科研訓(xùn)練中心均有采用。

由于實(shí)驗(yàn)方法較仿真成本高，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)和仿真技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬方法被應(yīng)用于求解航天服關(guān)節(jié)阻力矩。 Furuya 等分別針對(duì)充氣狀態(tài)的圓筒關(guān)節(jié)模型和波紋管關(guān)節(jié)模型進(jìn)行了關(guān)節(jié)彎曲仿真，并分析了航天服關(guān)節(jié)彎曲過程中褶皺出現(xiàn)的原因以及褶皺的發(fā)展。 尚坤等針對(duì)平褶式航天服關(guān)節(jié)進(jìn)行了有限元仿真分析，并通過能量法分析發(fā)現(xiàn)關(guān)節(jié)阻力矩是由于氣體壓縮、材料變形及材料摩擦共同引起。 王魯豫等針對(duì)波紋式髖關(guān)節(jié)單歷程關(guān)節(jié)阻力矩特性進(jìn)行了仿真分析和優(yōu)化，降低了關(guān)節(jié)阻力矩。 在理論方面，Schmidt建立了航天服關(guān)節(jié)變形的物理模型，對(duì)航天服阻力矩進(jìn)行了計(jì)算，但由于體積計(jì)算存在誤差且只考慮體積變化引起的阻力矩，導(dǎo)致阻力矩計(jì)算僅適用于關(guān)節(jié)在小范圍運(yùn)動(dòng)的情況。李廣利等基于阿布拉莫夫?qū)涥P(guān)節(jié)內(nèi)外平衡關(guān)系的假設(shè)，利用能量法推導(dǎo)了線彈性范圍內(nèi)軟關(guān)節(jié)阻力矩方程，但并未考慮材料厚度變化、材料非線性以及限制帶等實(shí)際情況，因此只適用于小轉(zhuǎn)動(dòng)。

由于航天服關(guān)節(jié)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，理論方法適用范圍較小，難以直接應(yīng)用；實(shí)驗(yàn)方法成本較高，難以用于優(yōu)化設(shè)計(jì)；有限元仿真計(jì)算耗時(shí)較長。 因此大量學(xué)者轉(zhuǎn)向?qū)教旆P(guān)節(jié)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)歷程的阻力矩預(yù)測方法進(jìn)行研究。 王昊等、趙京東等通過外置法測量得到了航天服關(guān)節(jié)阻力矩，并通過樣條曲線對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合，但外插精度有限。 張新軍等采用了一種物理對(duì)稱的Jiles?Atherton 遲滯模型對(duì)阻力矩?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行了擬合，由于模型本身的對(duì)稱性，因此對(duì)阻力矩的擬合結(jié)果局部存在較大誤差，在航天服阻力矩領(lǐng) 域 應(yīng) 用 存 在 局 限 性。 Schmidt首 次 將Preisach 模型用于預(yù)測關(guān)節(jié)阻力矩特性，之后的大部分研究均是基于該模型展開。 念龍生等從數(shù)學(xué)的角度對(duì)Preisach 模型進(jìn)行了改進(jìn)，在此基礎(chǔ)上，劉文樵等引入了新的內(nèi)插方法并將其運(yùn)用到了航天服關(guān)節(jié)阻力矩的預(yù)測上。 文劍將BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與Preisach 模型相結(jié)合，進(jìn)行了阻力矩預(yù)測；王曉東等采用NNOPM（RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的Preisach 模型）對(duì)關(guān)節(jié)阻力矩進(jìn)行了預(yù)測。 但采用Preisach 模型時(shí)，需要較多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)才能保證預(yù)測的精度，數(shù)據(jù)較少則會(huì)導(dǎo)致預(yù)測出現(xiàn)局部誤差；若直接進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)則需要長時(shí)間的計(jì)算才能獲得較高精度的預(yù)測模型。

航天服人-服耦合特性下模型復(fù)雜，參數(shù)化難度大，復(fù)雜運(yùn)動(dòng)仿真分析耗時(shí)長。 因此有必要開發(fā)一套專用于航天服關(guān)節(jié)的有限元仿真平臺(tái)，并將關(guān)節(jié)阻力矩預(yù)測方法集成到軟件內(nèi)部以實(shí)現(xiàn)快速預(yù)測。 人-服耦合運(yùn)動(dòng)的求解是一個(gè)強(qiáng)非線性問題，Abaqus 較其他有限元軟件具有明顯優(yōu)勢，同時(shí)為提高開發(fā)效率并保障可靠性，現(xiàn)有研究多基于Abaqus 進(jìn)行二次開發(fā)。 目前針對(duì)Abaqus進(jìn)行二次開發(fā)的方法主要有3 種：①通過Python進(jìn)行參數(shù)化建模與分析，但該方法可視化程度低，要求使用者具備一定的專業(yè)基礎(chǔ)和編程能力；②基于Abaqus 所提供的RSG（Really Simple GUI）進(jìn)行簡單的插件開發(fā)，但各插件之間的關(guān)聯(lián)性和系統(tǒng)的封裝性均較差，且該方法繼承性也較差；③基于C++、VS、MFC 等進(jìn)行圖形界面開發(fā)，再通過命令流對(duì)Abaqus 進(jìn)行控制，由于利用外部軟件進(jìn)行開發(fā)，交互性差，功能有限，輸出結(jié)果形式固定。 因此有必要開發(fā)可視化程度高、可操作性強(qiáng)、封裝型好、集成性強(qiáng)的航天服關(guān)節(jié)有限元仿真平臺(tái)。

航天服肘關(guān)節(jié)是完成上肢作業(yè)的主要關(guān)節(jié)，且一般采用波紋式結(jié)構(gòu)來降低肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的阻力矩。 本文以航天服波紋式肘關(guān)節(jié)為例，針對(duì)上述問題，考慮體積與壓力變化、材料非線性和人-服耦合特性，建立參數(shù)化的仿真模型；并對(duì)Preisach 模型進(jìn)行改進(jìn)，提出復(fù)雜運(yùn)動(dòng)歷程中的關(guān)節(jié)阻力矩預(yù)測方法；基于參數(shù)化仿真模型與阻力矩快速預(yù)測方法，開發(fā)一套航天服波紋式肘關(guān)節(jié)有限元仿真平臺(tái)。

2 仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 平臺(tái)整體框架

如圖1 所示，航天服波紋式肘關(guān)節(jié)仿真平臺(tái)由仿真分析與阻力矩快速預(yù)測2 個(gè)功能模塊和1個(gè)GUI 圖形交互界面組成。 仿真分析模塊的主要功能為：對(duì)航天服肘關(guān)節(jié)進(jìn)行建模和計(jì)算，得到肘關(guān)節(jié)的阻力矩-轉(zhuǎn)角遲滯特性曲線。 阻力矩快速預(yù)測模型主要功能為：根據(jù)仿真分析得到遲滯特性曲線，對(duì)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)下關(guān)節(jié)阻力矩的快速預(yù)測。GUI 圖形交互界面的主要功能為：將上述2 個(gè)功能模塊進(jìn)行集成，并實(shí)現(xiàn)各模塊之間的交互和調(diào)用。

圖1 航天服波紋式肘關(guān)節(jié)仿真平臺(tái)模塊功能執(zhí)行流程圖Fig.1 Module function and execution flow figure of spacesuit corrugated elbow joint simulation platform

2.2 仿真分析模塊

人-服耦合仿真分析流程主要包括以下步驟：①在CAD 軟件中建立航天服波紋式肘關(guān)節(jié)的幾何模型；②將幾何模型（含人體）導(dǎo)入到CAE軟件中，并根據(jù)各部分的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)格劃分；③建立航天服肘關(guān)節(jié)兩端的端蓋以形成封閉腔體，進(jìn)而定義邊界條件和載荷（關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角）；④通過修改Inp 文件的方式輸入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來定義材料屬性；⑤進(jìn)行顯式動(dòng)力學(xué)分析；⑥結(jié)果后處理。

2.2.1 幾何建模

艙外航天服分為3 層結(jié)構(gòu)：外部的防護(hù)層、中間的限制層以及內(nèi)部的氣密層。 其中，限制層為織物材料，是主要的承載結(jié)構(gòu)，因此以限制層作為主要研究對(duì)象。

本文通過SolidWorks 軟件建立了如圖2 所示的波紋式肘關(guān)節(jié)模型，包括波紋管結(jié)構(gòu)和限制帶結(jié)構(gòu)。 同時(shí)，根據(jù)GJB 36A-2008《飛行員人體模板設(shè)計(jì)和使用要求》的中號(hào)模板，建立了170 cm人體的大臂和小臂關(guān)節(jié)模型。

圖2 波紋式肘關(guān)節(jié)和人體手臂模型Fig.2 Corrugated elbow joint and human arm model

2.2.2 有限元建模

根據(jù)Schmidt 的研究，航天服波紋管厚度較薄，性能更接近于薄膜結(jié)構(gòu)；而限制帶較厚，更接近于殼體結(jié)構(gòu)。 因此，對(duì)限制帶和波紋管分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖3 所示。 因人體剛度遠(yuǎn)大于織物材料剛度，故可將人體簡化為剛體模型。 兩端端蓋與波紋式航天服形成封閉腔體，由于不考慮端蓋所引起的體積變化，因此將兩端端蓋也設(shè)置為剛體。

圖3 航天服波紋式肘關(guān)節(jié)的限制帶和波紋管網(wǎng)格模型Fig.3 Corrugated elbow joint restraint band and corrugated pipe for spacesuit mesh model

在之前的實(shí)驗(yàn)研究中，獲得了織物材料的力學(xué)性能。 由于織物材料的屈曲、非線性特性以及經(jīng)線與緯線之間的摩擦，織物材料拉伸和剪切力學(xué)性能呈現(xiàn)出明顯非線性，加載卸載曲線不一致，即加載卸載過程存在能量損耗，如圖4 所示。因此，在定義材料屬性時(shí)難以采用Abaqus 軟件中自帶的材料模型。 為解決該問題，一般有2 種思路：一是建立本構(gòu)模型，通過VUMAT 來定義材料特性；二是修改Inp 文件，通過輸入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來定義材料特性。 為降低對(duì)工程人員在使用過程中的技術(shù)要求，本文采用后者。

圖4 織物材料拉伸、剪切力學(xué)性能曲線圖Fig.4 Graph of tensile and shear mechanical proper?ties of fabric materials

采用內(nèi)置法的人體驅(qū)動(dòng)方式，以模擬人體驅(qū)動(dòng)下的充壓航天服波紋式肘關(guān)節(jié)彎曲情況，即人體著服后，大臂及上端蓋固定約束，小臂繞肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)一定的角度以驅(qū)動(dòng)航天服肘關(guān)節(jié)彎曲。 肘關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)中心如圖5 所示。 對(duì)小臂進(jìn)行加載時(shí)，先加載至目標(biāo)角度再卸載到初始位置。 航天服內(nèi)部通過流體腔法充壓以模擬航天服內(nèi)氣體環(huán)境，航天服內(nèi)部壓力曲線和肘關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角曲線如圖6 所示。 同時(shí)，定義人服接觸以及航天服自接觸。

圖5 航天服裝配關(guān)系及關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心圖Fig.5 Diagram of spacesuit assembly relation and joint rotation center

圖6 航天服內(nèi)壓與關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)加載圖Fig.6 Diagram of spacesuit internal pressure and joint actuation

2.2.3 分析與求解

航天服肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)仿真分為2 步：第一步為充氣，對(duì)航天服充氣以模擬航天服所需的氣體環(huán)境；第二步為運(yùn)動(dòng)，小臂繞肘關(guān)節(jié)中心轉(zhuǎn)動(dòng)。 由于本文采用流體腔法來模擬航天服的內(nèi)部氣體環(huán)境，因此進(jìn)行顯式求解，以獲得航天服關(guān)節(jié)阻力矩-轉(zhuǎn)角遲滯特性曲線。

2.3 阻力矩預(yù)測模塊

以仿真獲得的阻力矩-轉(zhuǎn)角遲滯特性曲線作為輸入，采用Preisach 模型對(duì)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的阻力矩進(jìn)行預(yù)測。 Preisach 模型積分定義如式（1）所示：

式中，（） 為關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角，（，） 為遲滯函數(shù)，為符號(hào)函數(shù)，在正、負(fù)積分區(qū)域的取值分別為+1和-1。 根據(jù)的正負(fù)性可將式（1）整理為式（2）：

定義整個(gè)積分區(qū)域?yàn)?，?duì)式（2）進(jìn)行整理，并將阻力矩轉(zhuǎn)為正積分或負(fù)積分區(qū)域的積分形式，有式（3）：

當(dāng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)，關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的變化將導(dǎo)致積分平面發(fā)生變化，如圖7 所示。 積分平面正負(fù)積分區(qū)域邊界拐點(diǎn)記錄加載卸載歷程中的極值點(diǎn)，即通過該方法對(duì)阻力矩進(jìn)行預(yù)測時(shí)能夠考慮運(yùn)動(dòng)歷程的影響，如圖8 所示為復(fù)雜運(yùn)動(dòng)歷程下正積分區(qū)域分解圖，能夠用于計(jì)算積分值。

圖7 復(fù)雜運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)積分平面變化圖Fig.7 Diagram of complex motion corresponds to the integral plane change

考慮到阻力矩可以通過積分或微分方式進(jìn)行描述。 微分描述遲滯函數(shù)的方法受實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)噪聲影響較大，因此利用積分幾何意義，采用權(quán)重系數(shù)法對(duì)預(yù)測點(diǎn)位置的積分值進(jìn)行預(yù)測。

當(dāng)輸入數(shù)據(jù)較少時(shí)，預(yù)測點(diǎn)的臨近數(shù)據(jù)點(diǎn)的權(quán)重會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而使得預(yù)測值產(chǎn)生較大的局部誤差。 利用圖8 中積分平面邊界＝上的點(diǎn)在正積分區(qū)域積分為0 的特性，對(duì)發(fā)生了權(quán)重偏移的點(diǎn)進(jìn)行修正，以減少數(shù)據(jù)離散所引起的局部誤差。

圖8 復(fù)雜運(yùn)動(dòng)積分平面分解圖Fig.8 Diagram of complex motion integral plane de?composition

2.4 GUI 圖形交互界面

GUI 圖形交互界面如圖9 所示。 仿真平臺(tái)主界面主要包括主菜單、可拖拽工具欄、功能菜單、建模與分析工具欄、輔助工具箱、子界面、顯示框、信息提示框和命令行。 主菜單提供模型文件保存、視圖設(shè)定、幫助文檔查詢等操作；可拖拽工具欄提供與建模相關(guān)的輔助功能；功能菜單可實(shí)現(xiàn)各功能之間轉(zhuǎn)換；建模與分析工具欄包括航天服波紋式肘關(guān)節(jié)的快速建模、分析及阻力矩預(yù)測等按鈕；輔助工具箱與可拖拽工具欄的功能類似，主要提供模型分割、載荷設(shè)置等輔助功能；子界面提供參數(shù)定義、模型可視化等功能，或進(jìn)行錯(cuò)誤提示；顯示框進(jìn)行建模過程及結(jié)果的顯示；信息提示框?qū)?zhí)行結(jié)果及輔助功能操作結(jié)果進(jìn)行顯示；命令行提供命令流的輸入功能。

圖9 航天服仿真平臺(tái)及各功能模塊圖Fig.9 Diagram of spacesuit simulation?platform and function modules

圖形界面允許工程人員隨時(shí)介入分析流程，增強(qiáng)了可操作性，調(diào)用時(shí)設(shè)置了報(bào)錯(cuò)和中斷機(jī)制，避免模型參數(shù)不匹配或模型干涉等問題導(dǎo)致有限元建模過程出現(xiàn)錯(cuò)誤。

2.5 內(nèi)部執(zhí)行流程

仿真平臺(tái)內(nèi)部執(zhí)行流程如圖10 所示。 首先通過bat 文件調(diào)用航天服波紋式肘關(guān)節(jié)阻力矩仿真平臺(tái)，執(zhí)行App.py 腳本，創(chuàng)建應(yīng)用程序并打開主窗口；其次，運(yùn)行MainWindow.py 進(jìn)行主窗口上層布局初始化，界面如圖9 所示；然后，執(zhí)行Mod?uleGui.py 和ToolboxButtonsGui.py 設(shè)置菜單欄以及功能鍵并關(guān)聯(lián)執(zhí)行事件的py 文件；接著，通過Form.py 腳本和DB.py 腳本啟動(dòng)核文件Kernel.py所需參數(shù)的輸入界面并進(jìn)行參數(shù)傳遞，同時(shí)設(shè)置參數(shù)報(bào)錯(cuò)機(jī)制，參數(shù)驗(yàn)證無誤后將參數(shù)傳遞至VB文件并調(diào)用SolidWorks 建立參數(shù)化模型，導(dǎo)入軟件并進(jìn)行前處理和仿真分析，計(jì)算完成后輸出阻力矩-轉(zhuǎn)角遲滯特性曲線并進(jìn)行顯示；最后，通過GUI 圖形交互界面輸入關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角變化曲線，讀取阻力矩-轉(zhuǎn)角遲滯特性曲線，調(diào)用核文件Kernel.py 內(nèi)置的阻力矩預(yù)測方法，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)下航天服關(guān)節(jié)阻力矩的預(yù)測。

圖10 仿真平臺(tái)內(nèi)部執(zhí)行流程圖Fig.10 Internal overall frame diagram of the simula?tion platform

3 仿真平臺(tái)使用流程

根據(jù)上述設(shè)計(jì)思路，完成了仿真平臺(tái)的搭建。結(jié)合各功能模塊，對(duì)仿真平臺(tái)使用流程進(jìn)行說明。

雙擊執(zhí)行文件打開仿真平臺(tái)，仿真平臺(tái)的主要功能流程主要分為以下6 個(gè)步驟：①點(diǎn)擊“Step1”按鈕，根據(jù)模型結(jié)構(gòu)提示設(shè)置參數(shù)，完成參數(shù)化建模；②點(diǎn)擊“Step2”按鈕，進(jìn)行材料設(shè)置，默認(rèn)的航天服材料為織物材料，也可下拉菜單選擇“新材料”的選項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)新材料的輸入；③點(diǎn)擊“Step3”按鈕，根據(jù)工況類型設(shè)置載荷及邊界條件，接觸無需手動(dòng)定義，仿真平臺(tái)將自動(dòng)定義；④點(diǎn)擊“Step4”按鈕，設(shè)置工作路徑并保存模型；⑤點(diǎn)擊“Step5”按鈕，進(jìn)行顯式計(jì)算，計(jì)算完成后將自動(dòng)進(jìn)行后處理，并顯示結(jié)果；⑥點(diǎn)擊“Step6”按鈕，輸入關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)歷程曲線，計(jì)算該歷程下關(guān)節(jié)阻力矩變化情況，計(jì)算完成后將自動(dòng)顯示并保存結(jié)果。 各步驟的交互界面如圖11 所示。

圖11 建模與分析參數(shù)輸入界面Fig.11 Input interfaces of modeling and analyzing parameters

4 仿真平臺(tái)分析算例

4.1 模型建立

利用本文開發(fā)的航天服波紋式肘關(guān)節(jié)有限元仿真平臺(tái)，按照使用流程對(duì)肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行計(jì)算。 航天服肘關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：中間上部織物材料高度＝13 mm，中間層分隔單元高度＝6 mm，中間下部織物材料高度＝13 mm，上部織物材料與水平面夾角＝5.5°，下部織物材料與水平面夾角＝5.5°，上外部織物材料截面圓角半徑＝12 mm，下外部織物材料截面圓角半徑＝12 mm，內(nèi)部織物材料截面圓角半徑＝12 mm 以及肘關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)半徑＝82 mm。 生成的單個(gè)波紋管模型如圖12 所示。

圖12 單個(gè)波紋管模型Fig.12 Corrugated elbow unit of spacesuit

4.2 結(jié)果與討論

讀取仿真結(jié)果（odb 文件），得到航天服波紋式肘關(guān)節(jié)的應(yīng)力云圖，如圖13 所示。 航天服肘關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)過程中阻力矩具有遲滯特性，其關(guān)節(jié)阻力矩-轉(zhuǎn)角遲滯特性曲線（含位移云圖）如圖14 所示。

圖13 航天服波紋式肘關(guān)節(jié)應(yīng)力云圖Fig.13 Stress cloud of spacesuit corrugated elbow

圖14 關(guān)節(jié)阻力矩-轉(zhuǎn)角遲滯特性曲線Fig.14 Hysteresis characteristic curve of joint resist?ance torque rotation

基于仿真平臺(tái)對(duì)文獻(xiàn)［7］中關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)阻力矩進(jìn)行預(yù)測，得到圖15 所示航天服關(guān)節(jié)阻力矩預(yù)測結(jié)果，與文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，方差不超過0.04（Nm），驗(yàn)證了阻力矩預(yù)測方法的有效性和正確性。

圖15 關(guān)節(jié)阻力矩預(yù)測模型驗(yàn)證結(jié)果Fig.15 Validation results of a prediction model for joint resistance torque

同時(shí)對(duì)任意給定的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角在時(shí)間歷程下的變化曲線進(jìn)行預(yù)測，如圖16 所示。 圖中（a）段人服剛開始接觸，阻力矩較?。唬╟）段關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角未發(fā)生變化，阻力矩基本保持不變。 因此，主要針對(duì)（b）段展開研究，該段曲線有加載后卸載段、卸載后加載段以及卸載后過加載段，因此圖中運(yùn)動(dòng)歷程能夠充分體現(xiàn)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)過程中的阻力矩遲滯特性以及運(yùn)動(dòng)歷程的相關(guān)性。 采用有限元方法計(jì)算結(jié)果對(duì)阻力矩預(yù)測模型進(jìn)行驗(yàn)證。 阻力矩預(yù)測曲線與仿真結(jié)果對(duì)比如圖17 所示，方差為0.4220（Nm），從圖中還可看到，仿真結(jié)果在6.3 s 處存在局部波動(dòng)，此時(shí)誤差最大，為6.13%；其余各處最大誤差為4.83%，誤差較小，驗(yàn)證了關(guān)節(jié)阻力矩預(yù)測模型的有效性和準(zhǔn)確性。

圖16 任意關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角時(shí)間歷程曲線Fig.16 Time history curve of arbitrary joint rotation

圖17 關(guān)節(jié)阻力矩時(shí)間歷程曲線Fig.17 Time history curve of joint resistance torque

5 結(jié)論

本文開發(fā)了航天服波紋式肘關(guān)節(jié)仿真平臺(tái)，針對(duì)有人狀態(tài)下的航天服肘關(guān)節(jié)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)分析，并對(duì)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)阻力矩進(jìn)行了預(yù)測，得到以下結(jié)論：

1） 仿真分析模塊能夠?qū)崿F(xiàn)波紋式肘關(guān)節(jié)快速建模與分析，并自動(dòng)輸出仿真結(jié)果。 顯著減少了設(shè)計(jì)優(yōu)化人員的建模及分析工作量，降低了對(duì)設(shè)計(jì)人員所需掌握專業(yè)知識(shí)的要求。

2） 阻力矩預(yù)測模塊能夠降低數(shù)據(jù)點(diǎn)減少引起的局部誤差，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果和有限元計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了改進(jìn)后Preisach 模型的精度。 對(duì)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)歷程關(guān)節(jié)阻力矩預(yù)測方法的研究有一定意義。

3） 仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了對(duì)外部軟件的調(diào)用和先進(jìn)算法的內(nèi)部集成，具有可視化程度高、操作性強(qiáng)、封裝性好、集成性強(qiáng)的特點(diǎn)，可用于提高航天服肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的高效性和便捷性。