复杂航天器结构火工冲击环境预示方法研究

针对复杂航天器结构在宽频、瞬态火工冲击载荷激励下其响应难以预示的问题，以某型复杂卫星结构为研究对象开展了火工冲击环境预示方法研究。首先，推导了基于加速度频响函数(FRF)的虚拟模态综合法(VMSS)的理论公式。对于复杂卫星结构各子系统动力学特性存在较大差异的特点，建立了有限元-统计能量分析（FE-SEA）混合模型，并进行响应计算，获得了加速度频响包络曲线及模态数曲线，为虚拟模态综合法的响应预示提供输入。然后，对复杂卫星结构推进舱底板和侧板的火工冲击响应进行了计算分析。最后，将计算结果与整星火工分离冲击试验结果对比发现两者基本保持一致。研究结果表明，联合FE-SEA混合建模技术和虚拟模态综合法能够对复杂卫星结构火工冲击环境进行较为精确地预示。     

星载薄壁结构天线结构优化设计与试验验证

薄壁结构具有质量轻、电性能稳定等优点，但同时又由于其结构刚度低、承力能力差、同等力学环境下加速度响应大等缺点，制约着其在星载天线领域的应用。文章针对卫星薄壁结构天线的上述缺点，利用通用有限元分析软件MSC.Patran/Nastran建立力学分析模型，计算得到影响薄壁结构天线基频低、承受应力大的薄弱位置。进行结构优化时，突破传统的等截面加强筋设计方式，在该薄弱位置增加变截面加强筋，提高了结构基频；在加强筋之间设计倒角，降低了结构应力水平。优化后的分析结果表明，天线结构的基频提高了106%，同等力学环境下加速度响应降低了94%，应力水平减少了93%，满足天线设计指标要求。最后，通过试验验证了该优化方法的有效性，对以后薄壁结构天线的设计具有一定的指导意义。     

统计能量分析法在爆炸分离冲击响应预示中的应用

针对复杂结构的爆炸分离冲击问题,文章采用统计能量分析方法对其响应进行了计算分析。首先对切割索产生的连续载荷进行了离散处理,然后基于统计能量分析并结合虚拟模态综合法,对航天器分离过程中的冲击响应进行了预示。得到的结果符合爆炸分离冲击环境下结构响应特征及其传递规律,对航天器抗冲击设计与评估具有一定的参考价值。     

航天器火工冲击环境分析预示方法研究综述

航天器火工冲击力学环境问题是一个宽频、瞬态和强非线性的冲击动力学问题。火工冲击响应的预示涵盖结构动力学、冲击动力学、爆炸力学、高应变率材料力学行为等多学科理论。目前,工程上尚无统一、有效的预示方法。在航天工程中,航天器及其组件冲击环境条件设计以及系统级和单机缓冲设计,都迫切需要能够准确预示航天器的火工冲击响应。文章对国内外航天器火工冲击响应机理进行综合理论分析,并在系统调研分析预示方法的基础上提出了航天器火工冲击响应预示研究的重点和难点。     

基于六自由度运动平台的大型空间结构低频力学环境模拟研究

空间结构的大型化、复杂化导致其固有频率降低、模态密集,也使得低频动力学环境对其结构特性的影响日益严重。文章以大型环形网状可展开天线反射器为例,研究了大型空间结构的低频力学特性及其失效模式,分析了航天器动力学环境的低频特点,提出了基于六自由度运动平台的低频多轴力学环境模拟方法。     

基于实测数据的卫星公路运输动力学特性仿真分析方法

为解决卫星运输跑车试验耗时耗力的问题,采用仿真方法研究了卫星在公路运输过程中的动力学特性。先基于大量实测数据,建立仿真分析输入谱;再通过Patran/Nastran有限元软件建立包装箱–卫星的联合仿真模型,对经过组合体模态试验修正后的模型进行了模态分析和随机振动响应分析,得到了模型的前6阶模态振型以及关键部位的加速度和应力响应RMS值。结果表明:联合仿真模型各部位的应力RMS值远低于材料屈服极限,卫星结构具有足够的安全裕度。该仿真分析方法可以准确有效地分析卫星在运输过程中经受的力学环境,为卫星结构及包装箱设计提供依据。     

基于模态法L形工装结构冲击动力学仿真分析

L形工装常用来转接被试结构以实现不同方向的冲击试验。首先通过模态试验获取L形工装固定于振动台状态下的模态频率、模态振型及模态阻尼比,然后建立、修正L形工装有限元动力学模型。在此基础上,采用模态法对L形工装进行冲击响应谱试验的仿真模拟,并根据仿真结果与试验数据的差异对模态阻尼比作进一步的调整。从调整后模型冲击环境下的加速度响应计算值与试验值的对比结果来看:修正后的L形工装动力学模型可以正确预示冲击响应谱试验的响应。最后,通过对在不同位置安装有被试结构的L形工装进行冲击仿真分析,得到结论如下:为避免过试验或欠试验,保证被试结构所承受的冲击响应谱与试验条件一致,建议把控制点移到被试结构安装处。     

航天器火工分离螺母的火工冲击环境数值仿真研究

为了研究航天器分离时火工分离螺母产生的火工冲击环境特性,了解火工冲击载荷的机制和特点,直观观测应力波在结构材料中的传播过程,使用LS-DYNA非线性有限元程序模拟了火工分离螺母的动态分离过程,给出了典型响应及输出载荷,并通过火工分离螺母-结构一体化仿真得到了星箭界面载荷,为航天器火工冲击环境防护设计提供更加真实的输入条件。     

航天器电子产品抗火工冲击环境设计方法

根据航天器火工冲击载荷特点及结构传递和响应特性,梳理了航天器电子产品常见的冲击失效模式以及火工冲击载荷的减缓和隔离措施,通过对电子产品复杂结构进行简化,给出了冲击载荷作用下电子产品冲击响应计算和刚度计算方法。文章提出了电子产品在设计阶段进行抗火工冲击环境的设计方法,试验结果表明:给出的抗火工冲击设计方法正确且流程合理,可以作为同类电子产品抗冲击环境能力评估的参考。     

某航天器姿态控制机组随机振动响应分析

根据结构件宽带随机振动原理,用NASTRAN有限元分析软件对某航天器姿态控制机组的随机振动应力进行了动力学分析。用大质量法模拟基础加速度激励,用模态法计算频率响应。分析表明,计算值与试验结果基本一致。该分析法可在设计阶段用于预示产品的随机振动响应。     

一种柔性多体动力学建模方法及其工程应用

针对具有多轴天线驱动、机械臂运动、空间站舱段转位等多体运动特征的航天器,提出了一种基于浮动基座和树形拓扑结构的柔性多体动力学建模方法,用于计算机建模和与控制系统联合仿真。基于拉格朗日方程和有限元方法所建立的动力学方程考虑了大角度刚体相对转动、弹性部件振动、柔性关节变形特性。将此建模方法程序化并应用于工程实际,可解决此类航天器复杂的机构运动与弹性振动的耦合动力学建模问题,实现完全自主的动力学建模、模型代码输出和控制联合仿真功能,为此类航天器的动力学特性分析及其控制系统设计与系统级仿真验证服务。结合带多轴驱动天线和大型柔性天线的整星对象,采用该方法建模并就系统频率、频率响应、时间响应与商业柔性多体软件Adams进行对比,结果显示二者一致性良好,验证了该建模方法及其软件实现的正确性和通用性。     

大挠性空间桁架结构的动力学建模与仿真研究

对航天器结构中常用的一字型空间桁架,基于建立的普通式和拉索式空间桁架结构简化模型,用有限元法建立空间桁架结构模型,分别对两种空间桁架结构的模态特性、谐响应和瞬时激励响应等动力学特性进行了仿真研究,分析了拉索式空间桁架结构的弦张力对桁架结构振动特性的影响。研究较好地模拟了大挠性空间桁架结构的动力学特性及其在外太空的真实工况,有一定的参考意义。     

变结构航天器动力学特性在轨辨识方法综述

动力学特性在轨辨识是对大型变结构航天器精确控制的基础和关键。首先,分析了国外在动力学特性在轨辨识领域的工程应用。其次,从在轨运行过程对动力学特性的影响出发,对在轨辨识方法的工程适用性进行了分析和评述,并总结了开展制约航天器动力学特性在轨辨识方法工程应用的条件。最后,对航天器质量特性和模态参数在轨辨识方法的应用进行了总结,可为动力学特性在轨辨识方法在我国未来大型变结构航天器中的应用提供参考。     

采用伪速度冲击响应谱评估蜂窝夹层板破坏边界

采用伪速度冲击响应谱(PVSRS)对航天器蜂窝夹层结构进行了冲击破坏边界评估。目前航天领域常用的冲击响应谱(SRS)是绝对加速度谱(AASRS)，相较于绝对加速度谱，伪速度谱能更清楚地显示出结构在低频、中频和高频段不同的冲击响应特征。分析了弹性力和惯性力在低频、中频和高频段对结构安全性的影响，据此在对数四坐标伪速度谱上给出了相应的结构破坏边界。以一典型蜂窝夹层结构为研究对象，通过有限元分析计算得到的结构破坏边界与伪速度谱给出的结构破坏边界符合得较好。在航天器结构冲击安全性研究领域，本文采用的伪速度谱结构冲击破坏边界是对目前常用的加速度谱方法的一个有益补充。     

航天器局部系统动力特性的频率匹配设计

对航天器结构进行频率匹配设计,是降低耦合响应,控制其在发射阶段动力响应水平的有效方法,文章进行了局部系统动力特性的频率匹配技术研究。用基于响应谱分析的频率匹配技术优化配置局部系统的固有频率,使其与整星动力学特性和动态激励特性更加匹配,并结合结构动力特性优化使局部系统频率满足设计值。通过工程实例,验证了该方法用于控制航天器动力响应的有效性,优化后设备加速度响应幅值相对于优化前降低了20％～40％。     

点式连接航天器等效刚度模态分析方法

针对点式连接航天器受接触影响而产生的非线性特性,提出了利用线性等效刚度代替非线性刚度以计算点式连接航天器模态的分析方法。首先采用有限元软件对点式连接航天器的非线性刚度进行分析,并基于非线性振动和结构动力学的原理,建立了等效刚度的计算方法。将等效刚度代入广义弹簧单元,最终获得点式连接航天器的简化模型并分析其模态。模态分析结果与试验结果对比显示,相比于传统分析方法,基于等效刚度的简化模型精确地预测了点式连接航天器的模态,有利于提高点式连接航天器的动力学仿真分析精度。     

柔性充气囊体结构的动力学响应和姿态分析

对主体结构为柔性充气囊体的某飞行器动力学响应和飞行姿态特性进行了研究。针对球锥外形的柔性充气囊体结构,建立参数化模型,基于ANSYS软件进行柔性充气囊体静力和动力学响应分析。在静力分析中用惯性释放法模拟完全无约束的结构,得到控制力作用下的变形、应力和质量参数变化。在动力学响应分析中用完全法分析了充气囊体结构在控制力作用下的瞬态动力响应,得到由大幅刚体位移和小幅弹性振动组成的结构位移响应。建立了充气囊体的姿态运动方程,基于MATLAB自编程序,研究了控制力作用下充气囊体的姿态动力学特性,分别分析了不考虑弹性变形和考虑弹性变形两种情况的柔性充气囊体姿态特性。结果表明:在控制力作用下充气囊体的弹性变形不大,绕初始平衡状态发生大幅的刚体位移;控制力产生的弹性变形对充气囊体的姿态动力学特性影响较大,姿态分析中需考虑弹性变形引起的质量参数变化。     

某航天器天线声振组合环境试验与单项环境试验对比研究

由于受地面试验技术条件的限制,目前用单项噪声或振动环境试验来模拟航天器发射及飞行过程经历的声振复合环境。文章以某航天器天线为对象,开展了声与振组合环境试验与单独噪声、单独随机振动试验的对比分析:对于该航天器天线,单独噪声试验在低频区域激励效应较差;单独振动试验则在高频部分存在结构响应衰减;声振组合试验由于耦合效应对结构高频段的响应产生抑制,使得高频部分的响应被削弱。     

带挠性附件的航天器结构-姿态耦合动力学

用Lagrange方程建立了基于混合坐标法的带挠性附件航天器结构-姿态动力学模型,对挠性附件结构的振动特性及其与航天器的耦合关系进行了理论分析,提出了航天器结构-姿态联合仿真分析的方法,并以某卫星天线为挠性附件结构,仿真分析了天线结构的振动特性及其对姿态控制系统的影响.结果表明:提出的航天器结构-姿态联合仿真方法能有效...     

嫦娥一号卫星定向天线动力学仿真分析

采用大型有限元软件MSC.NASTRAN,对嫦娥一号卫星定向天线压紧与展开两种工作状态下的模态与压紧状态下的加速度动力学响应,进行数值计算分析.针对双轴定向天线结构特点,结合双轴电机试验参数,引入扭簧单元对双轴电机结构进行模拟,并将天线压紧状态下的固有频率和关键点的加速度响应计算结果与试验结果进行了对比分析,两者具有较...