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文檔簡介
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)計中的若干技術(shù)問題,主要進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)進行有限元分析時,要對其進行等效處理,采取等效方法的合理性將直接影響計算結(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、別進行靜力分析和模態(tài)分析,并將每種等效方法的計算結(jié)果與實體單元建立模型的計算結(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方面進行了分析比較。結(jié)果表明采用三明治夾芯板理論對蜂窩夾層結(jié)構(gòu)進行等效要優(yōu)于其他兩種等效理論。
基于有限元法進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結(jié)構(gòu)的屈曲因子,并與經(jīng)驗失穩(wěn)公式預(yù)測值進行對比,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)果進行比較,以驗證該方法的正確性。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,有一定的工程應(yīng)用價值。
各
4、結(jié)構(gòu)之間連接剛度的設(shè)計與關(guān)鍵連接部位的等效處理,決定著結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計要求和有限元模型的精度。文中針對航天器推進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)埋金屬加強框的方法來改變貯箱支架的剛度和強度,通過比較四種不同貯箱支架結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的優(yōu)劣,研究了貯箱支架剛度和強度的安裝方式,提出了推進劑貯箱系統(tǒng)安裝的“上弱下強”設(shè)計準(zhǔn)則。并結(jié)合結(jié)構(gòu)布局的特點,為了滿足設(shè)計要求,對推進劑貯箱支架結(jié)構(gòu)進行了改進設(shè)計。
5、 同時,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),提出了一種實現(xiàn)結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化的綜合設(shè)計方法。首先,探討附加結(jié)構(gòu)剛度對桁架結(jié)構(gòu)動
6、力學(xué)特性的影響,以便建立精確的有限元模型,為進行優(yōu)化設(shè)計奠定基礎(chǔ)。之后,交替采用代理模型方法和人機交互方式進行結(jié)構(gòu)拓撲構(gòu)型設(shè)計,其中代理模型是采用優(yōu)化拉丁超立方法進行試驗設(shè)計,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)計偏好和考慮設(shè)計偏好兩種)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)計方案。方法有利于提高設(shè)計效率,降低全局優(yōu)化的
7、復(fù)雜度,同時能夠得到滿足設(shè)計要求的設(shè)計方案,適用于多目標(biāo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。
最后,為了有效地確定航天器結(jié)構(gòu)設(shè)計和試驗驗證所需要的振動環(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)的動力學(xué)特性,利用等效模型代替復(fù)雜的有限元模型進行星箭耦合設(shè)計分析。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行星
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