太阳电池阵驱动电机橡胶密封件失效机理及试验研究

论文摘要

步进电机作为太阳电池阵的驱动控制元件,是驱动机构的动力来源,是驱动机构完成驱动功能的关键部件之一。电机橡胶密封件一旦出现密封失效,将导致电机及整个驱动控制系统发生故障,造成巨大经济损失和难以想象的严重后果。因此,对电机密封失效研究成为亟待解决的问题。本文通过对橡胶材料的热循环有限元仿真及对其在真空热循环、辐照条件下的失效进行了试验研究。对橡胶材料的非线性及超弹性进行了理论研究,推导出单轴拉伸条件下五常数Mooney-Rivilin模型的拉伸应力与伸长率的非线性力学关系。通过橡胶的恒温老化模型推导出了热循环条件下的老化变化关系,并提出了统计分析下热循环老化变化的寿命计算方法。基于ANSYS有限元软件,建立了与试验相结合的橡胶三维有限元分析模型,并对模型进行了热循环载荷的应力分析,得到两种型号橡胶的温度传导、热通量、定向热流密度、应力、应变及位移的变化云图,这对分析橡胶材料随热循环的性能变化具有一定的参考意义。由于橡胶材料在空间环境中受热循环及辐照的影响最为显著,因此,为了分析橡胶材料的性能随这两种环境条件的变化关系,设计了橡胶密封材料的真空热循环、真空辐照试验,并对处理后的试件性能采用拉伸力学性能测试与扫描电镜分析相结合的手段进行了研究,这种研究方法对在地面进行空间环境的模拟具有较高的借鉴价值。通过橡胶真空热循环及真空辐照的老化失效试验数据分析表明:橡胶密封材料的拉断永久变形、拉断伸长率、拉伸强度随热循环载荷次数、辐照剂量的增加呈现递减的趋势,定伸应力、弹性模量则有着递增的趋势;在热循环载荷次数、辐照剂量较低时,橡胶材料以交联效应为主,当热循环载荷次数、辐照剂量较高时,则以降解效应为主。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 研究目的和意义
• 1.3 国内外的研究现状
• 1.3.1 橡胶密封的失效理论研究
• 1.3.2 橡胶密封的有限元研究
• 1.3.3 橡胶材料老化失效机理研究
• 1.4 研究的主要内容
• 第2章 橡胶密封件失效理论研究
• 2.1 引言
• 2.2 橡胶材料的非线性分析
• 2.3 橡胶材料的超弹性理论研究
• 2.3.1 有限变形的本构关系模型
• 2.3.2 穆尼-瑞林模型关系常数的确定
• 2.4 橡胶材料的热循环老化模型
• 2.4.1 老化变化与时间、温度的关系
• 2.4.2 老化模型常数的确定
• 2.5 热循环老化变化关系的确定
• 2.6 本章小结
• 第3章 橡胶密封件的有限元热—应力仿真分析
• 3.1 引言
• 3.2 橡胶密封件工作环境及载荷
• 3.3 有限元模型的建立
• 3.4 橡胶模型有限元的热分析
• 3.4.1 温度热传导的变化
• 3.4.2 总热通量
• 3.4.3 定向热流密度
• 3.5 橡胶模型的有限元热—应力分析
• 3.5.1 等效von-Mises 应力
• 3.5.2 等效von-Mises 应变
• 3.5.3 总位移
• 3.6 本章小结
• 第4章 橡胶密封件的老化失效试验及数据处理
• 4.1 引言
• 4.2 试验方案及试件的制作
• 4.2.1 试验方案设计
• 4.2.2 试件的制作
• 4.3 试验条件的选取及试验过程
• 4.4 试件处理后性能分析方法的选取
• 4.4.1 试件力学性能的测试
• 4.4.2 试件扫描电镜分析
• 4.5 试验测试数据的处理
• 4.5.1 真空高低温热循环试验数据处理
• 4.5.2 真空辐照试验数据处理
• 4.6 本章小结
• 第5章 橡胶密封件的老化失效分析及寿命评估
• 5.1 引言
• 5.2 橡胶密封件老化的力学性能分析
• 5.2.1 真空高低温热循环老化分析
• 5.2.2 真空辐照老化分析
• 5.3 橡胶密封件老化的SEM 分析
• 5.3.1 真空高低温热循环老化的SEM 分析
• 5.3.2 真空辐照老化的SEM 分析
• 5.4 橡胶密封件热循环老化寿命的评估
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢