太陽能帆板傳熱與振動研究.pdf

1、航天器太陽能帆板在外層空間受到太陽等星體的輻射循環(huán)加熱，高低溫下的熱變形和熱振動對帆板結(jié)構(gòu)的安全可靠性有著重要影響。漂移的太空垃圾可能與太陽能帆板發(fā)生碰撞，帆板結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性也是設(shè)計需要考慮的重要指標(biāo)。本文以Thornton理論為熱分析理論基礎(chǔ)，利用Marc有限元軟件，首先對哈勃太空望遠(yuǎn)鏡太陽能帆板主梁在太陽光照下升溫以及處于地球陰影向外層空間輻射散熱降溫的溫度場進(jìn)行了模擬計算，得到了主梁的溫度場，同時模擬計算了主梁的熱變形和熱應(yīng)力，

2、本文的計算結(jié)果與已有理論解、數(shù)值解符合較好。利用Marc軟件實施了主梁在材料彈性模量和密度隨溫度變化條件下的模態(tài)分析，研究了主梁懸臂端在點載荷作用下的動態(tài)響應(yīng)。最后，模擬計算了太陽能帆板整體的循環(huán)變化溫度場、隨溫度變化的動態(tài)響應(yīng)，重點研究了太陽能帆板在太空垃圾的碰撞作用下的動態(tài)響應(yīng)。
　　 通過上述研究，本文得到如下主要結(jié)果：
　　 (1)升溫過程中，太陽能帆板主梁的溫度場在日照開始大約15分鐘趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定狀態(tài)的最高溫

3、度為158.4℃，最低溫度為116.6℃，平均溫度為130℃左右。降溫過程中，太陽能帆板主梁大概在150秒左右截面溫差小于0.1℃，主梁截面的溫度大概在1000秒左右和外界環(huán)境溫度趨于相同。
　　 (2)當(dāng)太陽能帆板主梁受到太陽光照時，其截面溫度分布為正弦分布，在日照開始15分鐘內(nèi)，整體溫度呈上升趨勢，15分鐘以后主梁吸收和向外輻射的熱量相等，整個主梁的溫度場達(dá)到穩(wěn)態(tài)。
　　 (3)當(dāng)主梁的密度和彈性模量隨溫度的升高而降

4、低時，主梁的各階固有頻率也相應(yīng)的降低；密度和彈性模量不隨溫度變化時，溫度變化對主梁固有頻率的影響微小。
　　 (4)太陽能帆板整體的模擬計算表明，太陽能帆板整體的固有頻率很低，為一典型的柔性結(jié)構(gòu)。一個溫度周期條件下的動態(tài)響應(yīng)實際上是主梁截面溫差引起熱變形所致，動態(tài)響應(yīng)的速度、加速度都很小。
　　 (5)本文模擬計算了太陽能帆板整體在外太空某一時刻遭遇脈沖載荷，例如太空垃圾對帆板的碰撞作用時的動態(tài)響應(yīng)，得到了位移、速度和加