衛(wèi)星夾層結(jié)構(gòu)分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究.pdf

1、隨著航天器功能的不斷增加，工藝、材料與分析手段的不斷改進(jìn)和發(fā)展，總體上看，航天器結(jié)構(gòu)逐步復(fù)雜化、輕量化、柔性化、大型化。本文針對衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的若干技術(shù)問題，主要進(jìn)行了以下幾方面的研究工作：
　　 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)中得到廣泛的應(yīng)用。在對蜂窩夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析時(shí)，要對其進(jìn)行等效處理，采取等效方法的合理性將直接影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。采用Reissner理論、Hoff理論和三明治夾芯板理論三種不同的等效方法建立有限元模型，分

2、別進(jìn)行靜力分析和模態(tài)分析，并將每種等效方法的計(jì)算結(jié)果與實(shí)體單元建立模型的計(jì)算結(jié)果在不同載荷工況下，從位移大小、應(yīng)力水平和頻率大小三個(gè)方面進(jìn)行了分析比較。結(jié)果表明采用三明治夾芯板理論對蜂窩夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行等效要優(yōu)于其他兩種等效理論。
　　 基于有限元法進(jìn)一步研究蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問題。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)隨面板厚度的逐漸變化會(huì)出現(xiàn)不同的屈曲現(xiàn)象。針對連續(xù)芯層有限元模型，求出不同面板厚度時(shí)結(jié)構(gòu)的屈曲因子，并與經(jīng)驗(yàn)失穩(wěn)公式預(yù)測值進(jìn)行對比，兩種方

3、法的結(jié)果基本吻合。建立考慮芯層幾何特征的有限元模型，進(jìn)行屈曲分析并研究芯層幾何參數(shù)對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。介紹了一種局部屈曲現(xiàn)象--蜂窩壁屈曲，提出了相應(yīng)的失穩(wěn)預(yù)測分析方法，并與三維有限元分析結(jié)果進(jìn)行比較，以驗(yàn)證該方法的正確性。對承受多軸慣性載荷的蜂窩夾層承力筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，通過改變面板厚度和縱橫慣性載荷比，得到一系列有限元解，給出了相關(guān)的多軸慣性載荷相關(guān)方程。該方程能夠指導(dǎo)夾層承力筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。
　　 各

4、結(jié)構(gòu)之間連接剛度的設(shè)計(jì)與關(guān)鍵連接部位的等效處理，決定著結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計(jì)要求和有限元模型的精度。文中針對航天器推進(jìn)劑貯箱并列放置于中心承力筒內(nèi)的結(jié)構(gòu)布局形式，采用在貯箱支架內(nèi)是否預(yù)埋金屬加強(qiáng)框的方法來改變貯箱支架的剛度和強(qiáng)度，通過比較四種不同貯箱支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣，研究了貯箱支架剛度和強(qiáng)度的安裝方式，提出了推進(jìn)劑貯箱系統(tǒng)安裝的“上弱下強(qiáng)”設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。并結(jié)合結(jié)構(gòu)布局的特點(diǎn)，為了滿足設(shè)計(jì)要求，對推進(jìn)劑貯箱支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。
　　

5、 同時(shí)，歸類總結(jié)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的主要連接方式，并對衛(wèi)星關(guān)鍵連接部位的等效處理方法進(jìn)行了研究。分別采用MPC(Multi Point Constraints)法、Beam元法、Bush元法和Fastener。元法四種方法模擬關(guān)鍵部位的螺栓連接建立整星有限元模型，對其進(jìn)行了模態(tài)分析和靜力分析，分析了每種建模方法的優(yōu)劣。
　　 針對有附加結(jié)構(gòu)的衛(wèi)星天線桁架結(jié)構(gòu)，提出了一種實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化的綜合設(shè)計(jì)方法。首先，探討附加結(jié)構(gòu)剛度對桁架結(jié)構(gòu)動(dòng)

6、力學(xué)特性的影響，以便建立精確的有限元模型，為進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。之后，交替采用代理模型方法和人機(jī)交互方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)拓?fù)錁?gòu)型設(shè)計(jì)，其中代理模型是采用優(yōu)化拉丁超立方法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，結(jié)合徑向基函數(shù)近似方法生成的。最后，應(yīng)用NSGA-Ⅱ全局優(yōu)化方法實(shí)現(xiàn)以重量最小和頻率最大的多目標(biāo)優(yōu)化分析，并根據(jù)分層圖(不考慮設(shè)計(jì)偏好和考慮設(shè)計(jì)偏好兩種)定量可視化地從Pareto前端和Pareto最優(yōu)解集中篩選最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。方法有利于提高設(shè)計(jì)效率，降低全局優(yōu)化的

7、復(fù)雜度，同時(shí)能夠得到滿足設(shè)計(jì)要求的設(shè)計(jì)方案，適用于多目標(biāo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　 最后，為了有效地確定航天器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證所需要的振動(dòng)環(huán)境，需要通過星箭耦合分析給出星箭分離面的載荷響應(yīng)。根據(jù)航天器結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性，利用等效模型代替復(fù)雜的有限元模型進(jìn)行星箭耦合設(shè)計(jì)分析。等效模型由一系列的單自由度質(zhì)量塊彈簧元構(gòu)成，并根據(jù)模態(tài)有效質(zhì)量的概念，給出了等效模型中各參數(shù)的計(jì)算方法。以某衛(wèi)星為例，分別采用等效模型和復(fù)雜有限元模型兩種方法進(jìn)行星