基于RVE模型的空间天线结构热稳定性优化设计与热变形分析

空间环境温度变化会使空间天线支撑结构产生热变形,影响其使用性能,因此进行天线热稳定性设计及热变形分析具有重要的意义.基于代表性体积单元(Representative Volume Element,RVE)方法对空间天线结构进行热稳定性设计与热变形分析.通过建立纤维随机分布并含有材料孔隙的RVE,得到纤维热膨胀系数.对M40/TDE85单向复合材料的热膨胀性能进行实验测试,计算结果与测试结果吻合良好,验证了RVE模型的正确性与准确性.建立了复合材料圆管参数化模型,根据计算得到的热膨胀系数及优化算法,对天线支撑结构进行热稳定性优化设计,并对优化后的天线结构进行热致变形分析,结果表明优化后的结构具有很高的热稳定性.      

空间相机桁架支撑结构满应力优化设计与试验

针对空间相机桁架式支撑结构在设计过程中难以同时保证重量轻且刚度高的问题, 提出了采用满应力方法对桁架杆截面进行优化设计的思想. 以桁架杆重量最低为优化目标, 桁架杆自重变形和桁架的一阶固有频率为约束条件, 桁架杆截面的内外径为优化变量, 建立了基于满应力准则的优化模型. 经过优化, 桁架杆截面的外径为50mm, 内径40mm, 质量6.1kg, 一阶固有频率121Hz. 采用有限元法对优化结果进行模态校核和重力变形校核, 同时为检验碳纤维复合材料的热稳定性, 对桁架组件进行了热变形分析, 得到次镜的偏心和偏转均满足光学设计要求. 对优化设计出的桁架组件进行了0.2g扫频试验以及尺寸稳定性试验. 试验结果表明, 桁架组件一阶固有频率119Hz 与理论分析结果基本吻合; 在45N外力载荷和15°C均匀温升载荷的作用下, 桁架稳定性能良好, 次镜的偏心和偏转均小于5", 满足光学设计要求. 优化设计出的桁架支撑结构具有刚度高、尺寸稳定等特点, 这为实现空间相机向大口径、长焦距、轻型化方向发展奠定了研究基础.      

电磁多尺度和非线性效应分析

微观尺度上的结构和电接触特性对于宏观尺度上的电磁特性具有重要的影响.针对多尺度结构的非线性无源互调(PIM)无法用频域方法直接计算的问题,提出了基于Floquet理论的全波方法,对具有周期性微观结构的多尺度电大尺寸问题进行计算,从而准确地计算其电特性.此外,将产生非线性的金属结的等效电路模型引入到全波分析方法中,通过全波方法与等效电路方法相结合的方式来分析多尺度结构的无源互调问题.数值计算结果表明该方法可以有效地评估微观结构对于宏观结构电性能的影响,并解决了时域方法求解电大尺寸微波部件产生的计算累积误差较大这一难题.      

天基激光测距载荷单反射镜组件柔性设计与力热稳定性分析

针对激光通信与测距一体化星间链路载荷轻小型单反射镜组件进行结构设计与力热稳定性研究,开展单反镜柔性支撑机构优化设计,根据运载力学环境与在轨力热环境工况,对反射镜组件进行光机集成分析,验证光机结构的在轨力热稳定性.分析结果表明,双层圆弧形槽口柔性支撑结构在温度拉偏后反射镜的面型精度均方根（RMS）可达λ/72,基频模态为417.93Hz,满足指标要求.进一步对反射镜组件进行动力学分析,随机振动分析结果表明,反射镜加速度响应均方根为11a_rms,满足3σ准则.通过0.2g正弦扫频试验验证了有限元模态分析相对误差为2.23%,实验结果表明,反射镜组件柔性支撑设计合理,力热稳定性分析结果基本准确可靠,满足工况要求.      

模块化空间可展开天线支撑桁架结构的热-结构分析

对模块化空间可展开天线支撑桁架结构进行空间热交变环境下的热 结构分析,为天线结构因热致变形影响形面精度和网面稳定性提供合理的防护建议。采用ANSYS APDL有限元软件建立了大口径模块化空间可展开天线支撑结构的精细化数值模型,基于已有试验分别验证了模块化可展开天线结构有限元建模和热分析模型的正确性;分析了在瞬态温度场作用下约束位置等参数对支撑桁架弦杆及拉索应力的影响和热致变形规律。研究结果表明：空间可展开天线结构的应力和变形随时间历程发展与瞬态温度场变化趋势基本一致;同一瞬态温度场下,天线结构中心模块拉索热应力最大,同圈模块的弦杆热应力幅值基本相同,其上弦杆热应力逐圈增大,而拉索热应力逐圈减小;天线结构热致变形在距离约束最远端处整体累计值最大,上层中心点处累计热致变形可达15mm左右,对天线形面精度的影响不可忽略;将天线支撑桁架结构最外侧且距离结构中心最近的模块顶角和与相邻模块竖杆拼接处作为星载天线伸展臂约束时,天线结构的热致变形最小。将该处作为模块化空间可展开天线的展开支点,并建议对天线支撑结构表面采用涂刷隔热防护复合材料涂层等防护措施,以增加天线结构在太空极端环境的适应性,从而减小温度交变对天线整体形变和网面精度的影响。     

基于单胞代理模型的热弹性点阵结构优化方法

三维点阵材料是一种具有多尺度特性的新型轻质多功能材料，其有千变万化的微结构和高孔隙率，通过设计其细观尺度特征可以获得优良的宏观性能。为了发挥材料与结构的最大设计潜力，提出一种热弹性点阵结构优化方法。在材料细观研究尺度上，实现了三维点阵材料等效热弹性性能预测，利用周期性边界条件下的代表体元法进行数值求解，利用径向基函数代理模型构建细观结构和宏观材料性能的数学关系，并进行了预测误差验证，证明了所提方法具有良好的精确度。在结构宏观研究尺度上，建立了以等效材料填充的结构优化模型，考虑了热力载荷作用，以单胞等效性能代理模型作为材料插值模型，提出最小应变能热弹性点阵结构优化数学模型。在典型三维算例中得到了细观结构变密度分布的优化结果，结构热刚度在一定体积约束下显著提高，证明了所提方法的有效性。     

碳纤维抛物面反射器的热变形测量技术和位移分析

为了解决卫星碳纤维复合材料抛物面天线的热变形问题,本文提出了利用应变片测量应变分布、然后计算位移的方法。文中介绍了将应变片应用于—180～120℃温度范围的碳纤维复合材料结构的热变形测量技术。最后进行了碳纤维抛物面天线反射器的真空冷热交变试验。     

可展桁架天线温度场和热变形分析

对一个可展桁架式抛物面天线,利用有限元法,将可展支撑桁架划分为一维辐射-导热杆单元,将反射面划分为二维辐射-导热三角形膜单元,以此模型,计算和分析可展桁架天线在空间环境中的温度场和热变形,得到了可展桁架天线温度场和热变形特点,以及可展支撑桁架对天线整体温度场和热变形的影响．     

微纳卫星相机主承力构件轻量化设计与增材制造

针对20kg微纳遥感卫星相机主承力构件的轻量化需求,以转接环、次镜环和主背板三个主承力构件为研究对象,开展面向选区激光熔化增材制造技术的结构设计与制造关键技术研究。结果表明,设计的0.5mm折边结构具有良好的抗压缩和扭转等力学性能,在实现轻量化的同时,可显著提升构件的支撑强度。通过45°斜壁与微桁架结构,实现无辅助支撑增材制造。从能量输入、结构微调及加快热传导三个方面入手,有效解决了打印过程尖角变形难题。最终获得了质量分别为89g、87g和546g的三个轻量化主承力构件。搭载原理样机开展系统装调与地面力学试验,通过了8G重力加速度测试,实现了卫星相机大型复杂结构主承力构件的高承载和轻量化制造。     

航天器桁架结构拓扑优化设计

对带有附加结构的卫星主桁架结构进行了拓扑优化设计。优化的目的是在满足结构柔度和基频约束条件下使结构体积(结构质量)最小。对优化时可能存在的重频优化问题,采用半定规划法建立了结构优化模型,该方法可回避重频情况下敏度分析所带来的困难,对有无重频问题均适用。对附加结构的刚度及质量对拓扑优化结果的影响进行了讨论,并进行了多方案设计和比较。对桁架结构拓扑优化中常见的次元问题进行了分组处理,在满足卫星力学性能指标前提下,大幅度降低了桁架结构的质量,获得了工程适用的结构设计方案。     

面向气热耦合的涡轮叶片计算域模型建模方法

针对冷却结构复杂的涡轮叶片在气热耦合数值模拟中计算域模型建模效率低、模型质量不稳定以及对数值模拟适应性差等问题,分析面向制造的涡轮叶片模型及建模方法,结合气热耦合数值模拟对涡轮叶片数值模拟的实际需求,提出一种面向气热耦合的涡轮叶片计算域建模方法。通过外型冷却特征自动定位生成算法,创建涡轮叶片冷气域部分;通过自适应管道求交算法、边界自动匹配算法,创建能够适应不同叶型的涡轮叶片燃气域部分;此外,在创建流体域的过程中提取气热耦合数值模拟所需的关键几何特征及非几何信息,并与冷气域、燃气域、叶片实体集成,完成气热耦合计算域模型的生成。基于以上研究开发涡轮叶片气热耦合计算域模型快速建模系统,验证所提方法的有效性。      

碳纤维喇叭天线

<正> 碳纤维复合材料的出现,是材料史上的一场革命.这种材料有许多独到的优点,如: (1)比重轻,是常用结构材料中最轻的一种,一般为1.5-1.8克/厘米~3. (2)比强度和比模量高,为铝合金的3～5倍. (3)良好的热稳定性,热膨胀系数小,可以设计成“零”热膨胀系数的构件. (4)热传导率低,仅为铝、镁材料的1%左右.     

热解气体燃烧对炭化复合材料烧蚀热响应影响规律

在近空间高超声速飞行器飞行时间长、马赫数不断增加的发展趋势下，热防护与轻量化的矛盾越来越突出。基于此，开展了热解气体燃烧对炭化复合材料表面烧蚀影响的相关数值模拟研究，并与风洞试验结果进行了对比。结果表明：热解气体的燃烧可降低炭化复合材料表面的烧蚀厚度，并且随着气动热的增加，热解气体燃烧对材料表面碳的保护作用越来越明显。研究成果可为下一代近空间高超声速飞行器热防护系统的优化设计提供技术支撑。     

高分七号卫星结构尺寸稳定性设计与验证

尺寸稳定性是高分七号卫星(GF-7)结构设计的重要使命。针对GF 7结构尺寸稳定性设计需求,开展了影响因素分析,并针对分解指标给出了适用于航天器结构的尺寸稳定性设计和验证流程。首先,在整星结构构型设计的基础上,通过灵敏度分析确定了结构选材方案。随后,针对尺寸稳定性关键件一体化支架,提出了热控设计和结构设计方案。最终,通过舱段级热稳定性试验获得了结构平均热膨胀系数等结构稳定性关键参数,利用经试验结果修正后的有限元模型开展了卫星在轨热变形分析并验证了指标的可实现性。结果表明,GF-7结构设计满足载荷安装面指向变化亚角秒级的尺寸稳定性指标要求。     

复合材料蜂窝夹层结构的优化设计

利用复合材料蒙皮结构的弯扭耦合效应可以改善翼面的气动弹性特性.为使这种结构的弯曲扭转耦合效应最大,采用遗传算法来优化设计这类结构,并以蜂窝结构为例进行分析.采用有限元计算软件分析目标函数,将铺层板、蜂窝夹芯的强度作为约束函数,并通过遗传算法优化与有限元计算有机的结合,开发了以有限元为基础的复杂问题的结构优化软件系统.      

太空衍射望远镜大型桁架展开过程动力学建模

在太空衍射望远镜桁架展开过程中,各个桁架单元展开锁定的瞬间会引起构件的弹性振动,并对星体与主镜产生较大冲击。在考虑桁架各部件弹性变形的基础上,针对系统拓扑结构和约束条件的变化,对桁架展开与锁定过程建立了变拓扑的柔性多体系统动力学模型并进行了动力学数值分析。当桁架单元锁定时通过在关节处施加强力矩和阻尼来模拟锁定机构的作用。数值仿真结果表明,在锁定瞬时,桁架在纵向呈现大幅度振动,星体与主镜受到的冲击力出现峰值,且每一次峰值有差异,呈现周期性变化,这种现象是由桁架柔性部件的弹性变形引起的。研究结果对太空衍射望远镜结构设计与动力学控制提供了技术参考。     

静压气浮直驱转台热特性

以开发满足精密工程应用的静压气浮直驱转台为目标,研究静压气浮直驱转台结构的热稳定性.首先,分析了静压气浮直驱转台的发热-传热特性,建立了三维热特性有限元模型,计算了气浮直驱转台的温度场云图;用间接耦合的分析方法,将温度场作加载条件,进行转台热-结构耦合分析;然后,对比研究了两种直驱电机安置结构对转台热稳定性的影响,提出了静压气浮直驱转台的空气强制对流冷却方案;最后,完成了无框力矩电机后置式静压气浮直驱转台的温度场检测实验.实验结果表明,静压气浮直驱转台测试点的计算与实测温度的最大误差为1.93 ℃,稳态温度场分布计算精度较高;温度分布稳态时,气浮转台止推轴承气膜单侧间隙的变化量为0.55 μm,在空气轴承气膜设计允许的波动范围内,对轴承性能不产生明显的影响.电机后置式直驱静压气浮转台结构的热稳定性好,适合工业应用.     

模块化桁架索网天线找形与展开动力学研究

为了对单模块桁架索网天线展开动力学进行建模,首先,基于力密度法提出一种考虑桁架弹性变形的索网找形方法:渐近迭代力密度法;其次,基于绝对节点坐标法建立桁架刚柔耦合模型,采用等几何分析方法建立索网非线性有限元模型,进而根据第一类拉格朗日方程建立天线刚柔耦合系统动力学方程,并采用广义–α方法对动力学方程进行高效数值积分;最后,对桁架索网天线展开过程的动力学特性进行了研究和分析。研究结果表明:索网找形方案满足天线反射面形面精度要求,得到均匀的索段张力分布;展开过程中桁架竖杆应力最大,在展开末段,驱动滑块对桁架产生较大冲击。     

复合材料热膨胀性能的细观分析模型与预报

基于细观力学有限元方法对T300/5208,P75/934,P75/CE339,C6000/PMR 15,HMS/Borosilicate,P100/2024 Al六种复合材料的纵向和横向热膨胀系数进行了预报,并将预报结果与国内外常用的几种理论方法的预报结果以及试验值进行了对比,分析了各分析方法的预报精度.各分析方法对于复合材料的纵向热膨胀系数的预报结果与试验值均能很好吻合;对于横向热膨胀系数,各分析方法的预报结果相差较大.Rosen and Hashin(RH)方法与所建立的细观力学有限元分析模型的预报结果与试验值的吻合程度比其他理论方法要高,进而验证了细观力学有限元方法的可靠性.此外,基于细观力学有限元方法建立了各种材料体系热膨胀系数对纤维体积分数的响应关系,得出复合材料纤维/基体性能比对其热膨胀系数的影响,为航空航天结构先进复合材料的应用提供了技术基础支撑.     

基于代理模型的QPSO算法及结构优化应用

针对复杂结构的工程优化通常涉及到高度非线性的问题,采用基于迭代的传统优化算法可能无法获得全局最优解。在此研究背景下,文章引入量子粒子群优化算法(Quantum Particle Swarm Optimization, QPSO),提出了基于克里金（Kriging）代理模型的QPSO算法,通过构建环形桁架可展天线动力学性能的代理模型,对环形桁架可展天线结构参数进行了优化设计的应用研究。研究结果表明,基于Kriging代理模型的QPSO算法计算效率较高,环形桁架可展天线的基频及最大冲击响应面非线性特征显著,并通过将计算所得到的最优解与有限元解进行对比,验证了此方法的计算精度。由此可见,此方法的研究可为复杂结构的优化设计、研制提供一定的参考。