基于PATRAN/NASTRAN的复合材料结构铺层的分级优化设计方法

提出了一种用于复合材料结构铺层分级优化设计的有效方法,探讨了在当前载荷和边界条件下应变能与铺层厚度和结构质量之间的关系。在PATRAN/NASTRAN的基础上,采用直接搜索法与正交试验法相结合的优化方法,建立了一套实用的优化系统。该系统可适用于对称/非对称层合板、蜂窝夹层结构及多部件组合结构等多种结构类型;可解决多约束问题,约束条件考虑了应力、应变、最大位移、固有频率及结构屈曲失稳等多种因素。通过典型算例及工程应用,证明该系统能够取得优于其它同类算法的优化结果。     

Space optical payloads, new application area for high temperature composites

High temperature composites have been extensively developed in order to produce thermal protection systems of reusable re-entry vehicles and launchers. This development effort covers all aspects including sizing, design, manufacturing processes characterization, non destructive inspection, and all industrial facilities which have also been installed. Strong interest recently appeared for these materials to meet requirements for different space applications. In particularly, for more stringent optical payloads, new materials with high performance requirements have appeared. In the field of high dimensionally stable structures for telescopes, materials have to meet severe requirements, such as low coefficients of thermal expansion, good specific modulus, long-term stability (moisture and chemical insensitivity), etc. Carbon/carbon (C/C) composites can meet these specifications. To demonstrate this capability a structure has been designed, manufactured and will be submitted for complete testing (work supported by ESA/ESTEC). The main available results (part feasibility, characterizations, analysis and stability performance budgets) are presented. For future telescope mirrors, silicon carbide is already known as a good candidate. However, an innovative concept based on silicon carbide sandwich honeycomb technology, which allows optimized design, has been developed. The first characterization results and manufacturing capabilities are presented.     

基于稀疏重构的蜂窝夹层复合材料板中Lamb波传播特性估计方法

针对航天器装备中蜂窝夹层复合材料板中的超声Lamb波传播特性难以准确估计的问题,提出基于导波信号稀疏表达与重构方法的传播特性曲线估计方法。首先,根据Lamb波传播的散射模型建立Lamb波在频率?波数域下的稀疏表达方程;然后,以Lamb波频率?波数域表达的稀疏性为约束条件,建立基于l₁范数的基追踪消噪求解方法;最后,通过提取重构的导波频率?波数域表达结果脊线,可准确获取Lamb波传播的频散速度曲线。在蜂窝夹层复合材料机翼结构上进行测试实验验证的结果表明,该方法能在有限次数的测试下保证传播特性曲线的估计精度,具有较好的工程应用前景。     

Use of pallet-type structures in Shuttle-attached and free-flying modes

Modular pallet-type structures, designed for optimal usage of the Space Shuttle as a launch vehicle, can be used in three mission modes—Shuttle-attached, attached to an orbiting Power Module, or as fully autonomous free flyers. The requirements for such structures are defined and three structural solutions—the Spacelab pallet, a cubic framework structure and a honeycomb panel structure—are described. System and subsystem concepts of varying complexity and autonomy are indicated and their applications to several typical payload examples are shown.     

高压液氧涡轮泵孔型/蜂窝阻尼密封的设计

针对某型火箭发动机高压液氧涡轮泵离心轮的前、后凸肩动密封,采用孔型/蜂窝阻尼密封代替原始迷宫密封方案,并对密封结构参数进行优化设计,旨在减小泵内动静间隙泄漏,提高泵容积效率。采用经水工质孔型密封泄漏量实验数据验证的,基于k-ε湍流模型和三维定常Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)方程的液体孔型密封泄漏量数值计算方法,研究了孔深、孔径对液氧孔型阻尼密封、蜂窝阻尼密封泄漏特性的影响规律,并与迷宫密封的封严性能进行了比较。计算分析了孔径在0.3~2.0 mm范围内、孔深在0.1~2.0 mm范围内连续变化时孔型阻尼密封的泄漏量。结果表明:相同孔径和孔深下,孔型阻尼密封和蜂窝阻尼密封具有相近的封严性能,均优于迷宫密封;有限的密封轴向长度下,液氧孔型/蜂窝阻尼密封泄漏量随孔径的增大(轴向孔数目减小)先减小后增大,孔型/蜂窝阻尼密封最佳孔径为1.4 mm;不同孔径下,液氧孔型/蜂窝密封均存在最佳深径比0.5,泄漏量达到最小值;相比于原始迷宫密封方案,优化设计的孔型/蜂窝阻尼密封使液氧涡轮泵离心轮前、后凸肩动密封泄漏量分别减小了约19%和21%。     

基于蜂窝纸板的系留平台缓冲分析与试验

为保证系留气球平台在空投着陆中的安全,必须对其中的压力气瓶进行缓冲分析与实验。文章采用蜂窝纸板作为气瓶缓冲材料,采用LS-DYNA软件,并依据蜂窝纸板实际参数处理材料模型,仿真分析了在不同蜂窝纸板厚度、不同跌落速度和不同着陆姿态下的缓冲过程。根据仿真结果,设计了蜂窝纸板缓冲结构和加速度检测模块,采用吊车起吊跌落进行了实验验证。仿真分析和实验结果均表明,蜂窝纸板厚度为500mm,跌落速度低于10m/s时,气瓶缓冲后加速度低于20gn,可满足空投着陆应用要求。文章基于LS-DYNA的蜂窝纸板缓冲有限元分析是可行的,研究结果对于气瓶类装备的着陆缓冲结构设计有参考价值。     

基于纤维缠绕技术的自适应天线反射器

现代信息社会越来越需要更大的通讯能力，这种需要可通过发展更高的远程通讯频率来满足，为实现此目的，使用发射天线的卫星通讯系统，德国宇航研究院结构力学研究所正在研制一种新的、用于卫星天线发射器的自适应结构体系。本文介绍了一种直径为900毫米的抛物面型叠层发射器的制造工艺。该卫星天线发射器叠层材料为中等弹性模量的碳- 氧树脂面板和带有集成激励控制驱动器的铝蜂窝夹芯。并将给出驱动器封装的制造，纤维缠绕过程和驱动器的装配方法，本文介绍了这一新的设计思想和具有高效控制，高热稳定性及经济的，重量轻的自适应智能天线反射器结构。     

轻质复合材料夹芯结构设计及力学性能最新进展

从设计、制备和力学性能方面对轻质复合材料夹芯结构的最新研究成果进行总结，包括复合材料点阵夹芯结构、褶皱夹芯结构以及蜂窝夹芯结构对应的拓扑构型设计和制备工艺，重点从力学性能的理论预报、力学性能实验表征和失效模式分析等角度评述了性能改进的最新研究。通过对轻质复合材料夹芯结构最新研究进展的总结与分析，展望了点阵夹芯结构、褶皱夹芯结构和蜂窝夹芯结构的发展趋势及可能应用领域。     

耐热合金蜂窝等效热导率的实验研究

耐热合金蜂窝夹芯结构是高超音速飞行器热防护系统外面板的理想候选方案.针对Hastelloy X耐热合金蜂窝夹芯结构开展了稳态传热实验,通过控制加热板温度,获得了一组热平衡时蜂窝夹芯结构的热、冷面温度,结合Stefan-Boltzmann定律和大空间自然对流实验关联式,采用热阻分析方法得到了Hastelloy X耐热合金...     

刚性太阳电池阵基板研制

文中介绍一种卫星太阳电池阵基板的研究成果。制品选用了碳/环氧面板一蜂窝夹层结构复合材料,可显著减轻结构重量和提高制品的刚度和稳定性。研究成果已应用于实际产品中,取得令人满意的结果。     

带有典型缺陷的金属蜂窝夹层结构的剩余强度研究

通过对带有典型缺陷的薄壁高温合金蜂窝夹层结构进行侧拉伸和侧压缩、平压缩和三点弯曲等力学性能测试,得到了带有不同缺陷形式的结构在不同载荷形式下结构剩余强度随着缺陷尺寸增大的变化规律.得到的结论为薄壁高温合金蜂窝夹层结构的服役可靠性及其损伤容限体系的建立奠定了必要的实验研究基础.     

空间高稳定碳/碳蜂窝夹层结构制备及性能

针对空间高稳定结构在极端环境下的灵敏度和稳定性需求，提出一种新型高稳定、高承载的轻质碳/碳(C/C)蜂窝夹层结构方案。碳/碳蜂窝夹层结构由化学气相渗透(CVI)致密化获得的整体碳/碳蜂窝和面板经胶粘剂粘接集成，通过评价蜂窝、面板以及夹层结构的内部质量、力学性能及热物理性能，展示了碳/碳蜂窝夹层结构在承载和尺度稳定性方面的优势。研究结果表明,典型特征碳/碳蜂窝承载性能稳定，平压强度＞10 MPa，L/W向剪切强度＞4 MPa，典型特征碳/碳蜂窝夹层结构热膨胀系数低，满足空间环境条件下面内热膨胀系数绝对值低于 1×10 -7 /℃的高稳定设计需求。     

可重复使用运载器的耐坠毁缓冲装置的设计优化

针对采用四腿式着陆支架的可重复使用运载器，提出一种油气-蜂窝两级缓冲的新型耐坠毁缓冲装置，常规油气缓冲器实现重复使用，危险工况下蜂窝缓冲器实现耐坠毁功能。建立了运载器着陆动力学模型，给出了运载器着陆的四种极限工况及铝蜂窝压溃载荷的求解方法，基于径向基(RBF)代理模型，采用多学科协同优化方法，对多工况下运载器两级缓冲装置设计参数进行了优化。结果表明，多学科协同优化方法有着较好的准确性，优化后运载器的最大过载和缓冲支柱载荷峰值均得到降低。最后，对比了单独油气缓冲器与两级耐坠毁缓冲装置下运载器的着陆响应，结果表明，使用两级耐坠毁缓冲装置在降低运载器最大着陆过载和缓冲支柱载荷峰值上有着较为明显的优势。     

卫星承力筒复合材料结构的优化设计

应用JIFEX软件对大型通信卫星主承力结构－－中心承力筒的复合材料结构进行优化设计。在优化设计中考虑了固有频率和屈曲稳定性的约束条件，使用了多种类型的设计变量，对蜂窝夹芯材料采用了一种离散材料变量连续化处理方法。进行了多种方案的优化设计和比较，为承力筒结构研制设计提出了指导性结论。     

真实蜂巢的力学分析和航天载荷结构仿生设计

自然界的真实蜂巢与工业上常用的蜂窝三明治夹层结构存在构型上的差异。对比二者的差异并分别进行三维建模。然后利用有限元分析方法,对二者因结构差异而导致的力学性能的差异进行对比分析,得到两种结构在受到轴向力和径向力时其变形和内部应力分布的区别。通过对仿真结果的分析,揭示真实蜂巢在力学性能方面所具备的独特生物学智慧,且将真实蜂巢独特的力学性能特性应用到某些航天载荷的结构设计上,取得了良好的效果。     

Development of multi-functional composite structures with embedded electronics for space application

Conventional spacecraft structural function has been limited to supporting loads and mounting avionics only. In contrast, the technology of ‘multi-functional structures’ can integrate thermal and electronic functions into the spacecraft’s inherent load-bearing capability. In addition, sufficient radiation shielding effectiveness can be provided for the anticipated mission environment. Utilizing this concept, the ratio of electrical functionality to spacecraft volume can be dramatically increased and significant mass savings can be obtained. In this paper, spacecraft electronics are miniaturized using advanced IT applications such as flexible circuitry, miniaturized components, featherweight connectors, and so on, that they can be easily embedded within a structural panel. A sandwich structural panel consists of an aluminum honeycomb core and lightweight CFRP facesheets. Integration of electronics is implemented within the panel by mounting electronics on a multi-layered composite enclosure with multi-materials. This composite enclosure provides a load-bearing, effective thermal conduction, radiation shielding capabilities and an available space for embedding electronics. A series of environmental tests and analyses is carried out to demonstrate that the flight hardware is qualified for the expected mission environments. This approach will be utilized for the advanced small satellite ‘STSAT-3’ to validate the multi-functional structures concept.     

异面压缩下六边形铝蜂窝平均塑性坍塌应力研究

为了研究铝蜂窝在准静态异面压缩下的平均塑性坍塌应力，基于简化的基本折叠单元理论，以单个完整铝蜂窝六边形单元为研究对象，根据能量守恒定律，形成一个基本折叠单元外力所做的功等于屈曲能和膜能的总和，由此分别假设铝蜂窝材料服从Tresca屈服准则或Mises屈服准则，给出了两个准静态异面压缩下铝蜂窝平均塑性坍塌应力的理论计算公式，试验结果验证了理论推导的正确性。提出的公式对研究铝蜂窝的异面压缩性能具有一定的工程指导意义。     

基于优化的蜂窝板有限元模型修正

蜂窝板具有较高的比强度和比刚度,在航空航天领域得到广泛应用。用三明治等效方法计算蜂窝板等效材料参数,在MSC.Patran中建立有限元模型计算蜂窝板基频,通过分析设计变量和目标函数在NASTRAN中对蜂窝板基频进行优化,利用优化结果确定等效剪切弹性模量计算公式中修正系数γ并重新计算修正后模型基频,以试验所测基频值为标准对蜂窝板有限元模型进行修正。修正后模型计算基频值与实测值之间的偏差明显减小,证实了模型修正的有效性。     

国外微波等离子推进器研究的新进展

回顾了国外微波等离子推进器（ＭＰＴ）的发展历史，简单介绍其基本工作原理与主要部件的设计、选材，论述理论与实验研究的新进展，给出推力、比冲与实验参数的范围。通过与电弧及电阻加热推进器的比较，得出结论：微波等离子推进器具有寿命长、效率和比冲高的优点，可用于地球同步通讯卫星的南北位置保持等。     

带隔热层蜂窝夹层结构的超高速撞击特性研究

带隔热层的蜂窝夹层结构是航天器常用的结构材料。针对带隔热层蜂窝夹层结构开展了超高速撞击试验研究和数值模拟。通过试验获得了带隔热层蜂窝夹层结构的弹道极限方程,并利用该方程计算了带隔热层前板的等效厚度;同时采用光滑质点流体动力学(SPH)和有限元(FE)耦合的方法,对蜂窝夹层结构的超高速撞击过程进行了数值模拟,模拟结果表明:蜂窝芯限制了碎片云的径向膨胀,碎片云轴向流的导流和分流作用。