筒体结构星载天线抗冲击特性研究

随着航天技术的发展和探月工程的推进,航天器空间环境力学条件不断恶化,对航天器抗冲击力学性能提出了更高的要求。筒体结构天线结构形式紧凑,具有较好的动力学特性。为了得到筒体结构天线具体的抗冲击力学性能,研究时通过建立动力学分析模型,首先分析得到结构的模态参数,再根据模态结果反应出的筒体结构天线的动力学特性,结合给定的冲击力学环境建立分析条件,依据分析条件分别计算得到横向和纵向筒体结构天线顶端的时域最大加速度响应,筒体结构整体结构应力水平。分析结果表明筒体结构天线在冲击力学环境下加速度响应放大较小,各部件应力水平均能满足结构强度要求。筒体结构天线具有良好的抗冲击力学性能,可应用于需要承受较为恶劣冲击环境的航天器。     

扩散声场作用下C/SiC复合材料薄壁结构的全频段响应分析

为了获取复合材料薄壁结构在扩散声场作用下的全频段应力响应,在70 m~3混响室内进行自由状态下的C/SiC复合材料薄壁结构的噪声试验(总声压级140 dB),测试混响室内扩散声场以及结构的加速度响应。另,建立扩散声场与正交各向异性复合材料薄壁结构相互作用的有限元–统计能量(FESEA)混合模型,计算得到结构的加速度响应分布,计算结果与试验测试结果一致。同时,基于模态应力恢复方法获得结构的应力场分布,结果显示扩散声场作用下的复合材料薄壁结构的应力场分布与加速度场分布规律不同。通过分析复合材料薄壁结构的弯曲波长与声波波长之间的关系,揭示噪声载荷与结构的波长耦合效应。该FE-SEA混合模型计算的应力场可进一步应用于声疲劳分析。     

某结构在振动-加速度复合环境下的响应优化

文章以结构的安装角为设计变量,根据结构安装位置的合理性来确定设计变量的约束条件。以结构关键部位的加速度均方根值作为目标函数,建立了随机振动-加速度复合载荷作用下基于安装角的某结构响应优化模型。应用ANSYS软件中的参数化设计语言（APDL）实现了离心场中结构随机振动响应对安装角度的灵敏度分析及优化。优化后的结构振动响应降低了。     

桁架式集成天线塔优化设计

针对某卫星平台桁架式集成天线塔结构的优化设计,采用了一种先构型优化,再尺寸优化的方法.首先使用Midas软件进行了有限元建模,应用满应力优化和基结构法得到了兼顾重量、基频、拉拔力、结构对称性及安装空间的综合最优构型.其次,在构型优化结果的基础上,通过Isight软件集成MSC.Patran/Nastran软件,选用多岛遗传优化算法,分析得到了最轻质量杆件截面方案.该方案可以同时满足空间X、Y、Z三个方向正弦响应荷载工况的强度、刚度等要求,质量较优化前降低.优化结果表明,该方法能够得到满足设计要求的方案,可以应用于桁架结构的优化设计.     

一种高超声速机载天线结构轻量化设计

飞行器在工作时过载、振动等力学条件严酷,同时对搭载设备严格限制重量.如何在保证结构强度和变形量满足飞行环境使用要求的前提下,解决天线轻型化问题,是机载天线设计最紧要的任务之一.提出了一种迭代优化设计方法,此方法基于结构强度变化特征对机载天线进行轻型化设计,具体为采用有限元分析方法结合实际力学环境要求对初步设计的天线进行强度校核,调节设备的横断面尺寸使试验变形应力及重量满足天线设计要求.最终通过仿真计算迭代优化,实现机载天线减重的目的 .该设计方法充分融合了强度校核和迭代优化的思想,缩短了产品的研发周期,实现了产品最优化设计,为机载设备减重提供了解决方案.     

平面薄膜天线张拉系统优化设计及天线结构模态分析

设计航天器平面薄膜天线双重索网张拉系统的构型,并以可伸展支撑杆承受轴力最小、薄膜阵面有效面积比最大、端杆长度最小为优化目标,对张拉系统进行多目标优化。优化后可伸展支撑杆所受轴力减小了15.51%,薄膜阵面有效面积比提高了1.25%,端杆长度减小了0.30%。利用ABAQUS软件对索膜结构、支撑框架以及天线整体的模态分别进行仿真分析,将天线结构等效模型基频的解析解与仿真结果进行比对,二者相互印证。最后通过仿真分析,得出薄膜内拉应力、可伸展支撑杆壁厚、可伸展支撑杆铺层角度和端杆壁厚对天线整体基频的影响规律。     

基于Pro/Mechanica的航天电子设备插板结构灵敏度分析及动力学优化设计

卫星数据传输电子设备一般为插板式结构,在满足恶劣力学环境可靠性同时,还要尽量减轻产品重量,本文针对此类典型插板结构,采用Pro/Mechanical软件对其进行动态特性分析,对插板结构加强筋的布置形式、重要尺寸进行了灵敏度分析,根据灵敏度分析结果,对敏感尺寸进行了优化分析,得到满足刚度设计要求、质量最小的最优插板结构,保证了力学可靠性提供了依据。     

航空航天结构轻量化设计与实验方法研究进展

综述了近年来航空航天结构轻量化设计方法，聚焦薄壁结构与连接结构两类主要承载结构轻量化设计进行总结；针对薄壁结构，分析了面向后屈曲行为的轻量化设计、虑及缺陷的鲁棒性设计以及创新轻质薄壁领域的发展动向；针对连接结构，总结了传力路径与区域应力调控两大类设计方法。此外，就轻量化结构的高精度实验方法与数字孪生模型等共性关键问题进行梳理，并展望了未来航空航天结构轻量化设计方法发展前景，为未来研究工作和装备研发提供参考。     

基于脉冲子结构的探测器结构动力学优化设计

针对传统结构优化设计中，精细化模型求解复杂结构动响应过于耗时的问题，引入保精度、高效的脉冲子结构方法，提出一种考虑结构动力学响应的优化设计流程，并对月球探测器太阳翼结构进行优化分析，获得了太阳翼结构设计参数，有效地提高了太阳翼动力学特性指标，改善了月球探测器关键位置处的动力学环境。结果表明，脉冲子结构方法可以有效应用于航天器结构动力学优化设计，提高优化设计效率，所得优化结果对实际结构设计具有一定指导意义。     

面向大型反射面天线结构的机电综合设计与分析系统

针对天线机电分离设计的现状,研究了天线机电综合集成技术和天线组合结构理论, 并采用精确PO法分析天线远区辐射电场,建立了面天线参数化设计的层次结构,解决了由背 架、反射面和中心体等组成的组合结构网格自动划分难题,研制了天线结构分析与电磁计算 综合集成系统。实现了天线虚拟样机的参数化设计、机电性能分析与判断,可获得天线位移 云图、应力云图与电场方向图等准确的重要指标信息。该系统可用来指导天线结构设计人员 的工作,改进天线设计手段和方法,提升设计分析质量,达到缩短设计周期、降低设计成本 的目的。     

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％。     

载人航天某装置人机交互式结构优化设计

为了解决复杂结构在动力学响应约束下优化的难题,综合人工以及计算机在复杂结构优化中的优点,提出一种人机交互式优化方法用于载人航天某复杂装置的优化设计。经过结构优化后的装置,在质量保持基本不变的情况下一阶振动频率提升41.1%,正弦试验条件下关心节点的最大加速度响应值减小24.3%,优化效果明显,满足优化设计要求,验证了该优化设计方法的可行、有效。     

UltraFlex太阳电池阵的结构优化

以提高圆形太阳电池阵的展开过程稳定性和固有频率为优化目标，以UltraFlex太阳电池阵为模型，采用有限元软件SAMCEF对其进行结构优化。以承重梁材料、斜梁开口高度、斜梁位置、梁截面高度及厚度5种结构参数为优化变量，进行了多种工况的展开动力学仿真和模态计算。经分析发现，结构展开后期太阳毯与支撑梁拉扯会导致支撑梁剪切应力激增；梁材料、斜梁位置与支撑梁截面高度对太阳电池阵的展开过程稳定性影响较大；当梁材料为碳纤维，斜梁位置为1100 mm，梁截面高度为20 mm时，展开过程稳定性最好；斜梁位置和承重梁截面厚度对结构固有频率影响较大；当斜梁位置为900 mm或1100 mm、承重梁截面厚度从3 mm增至3.5 mm时，系统固有频率涨幅最大，由此带来的质量增加可以接受。     

大型星载天线桁架式可折展机构的模态分析

大型空间抛物柱面星载天线具有口径大、约束弱、刚度低、质量小等特点,其机构的空间稳定性直接决定天线的使用寿命和信息传输的可靠性。为准确获得大型空间星载天线在轨稳定性能参数,依据星载天线的高精度和长寿命的设计需求,提出一种新型抛物柱面星载天线结构形式,利用有限元仿真对该新型星载天线作模态分析,并分析相关参数。结果表明:采用Al7075材料的新型抛物柱面星载天线基频满足设计要求。同时,增加上下支杆和上下斜撑杆的截面尺寸可有效提高天线结构的固有频率。该研究为我国大型抛物柱面星载天线设计提供了理论支撑和技术参考。     

PMI泡沫材料在航天器结构中 应用的可行性研究

文章通过试验研究了两个牌号的PMI泡沫材料的物理及力学性能,着重研究了它们的吸湿性能、压缩蠕变率及在热真空环境下的放气性能,并与航天器结构常用的铝蜂窝芯材作了相应比较。研究表明,优良的介电性能、低热导率、易于加工复杂外形、可设计性等特性使得PMI泡沫材料有望应用于航天器的多功能结构,变截面结构,杆、梁结构,天线结构等,而PMI泡沫材料采取一定的增强措施后也可作为航天器的承力结构。     

一种面向增材制造技术的桁架式支架结构设计方法

针对卫星结构轻量化设计需求,综合应用拓扑优化方法和增材制造技术在结构设计和加工方面的优势,提出一种面向增材制造的桁架式支架结构设计方法。首先,考虑增材制造加工工艺约束,应用拓扑优化方法在结构可行设计空间中寻找最佳传力路径,以此为基础抽象出相对应的桁架结构;然后,应用尺寸优化方法,设计最优的桁架杆件截面尺寸;最后,综合考虑最优杆件尺寸和结构加工/使用约束,进行几何重构,获得可供增材制造的结构设计方案。将方法应用于某卫星敏感器支架结构设计,得到一种相对传统构型减重35.4%的轻量化设计方案。经详细力学分析验证,在使用与传统构型支架相同材料参数和载荷工况下,新型支架基频提高34.3%,安全裕度提高13.0%,同时动态响应系数降低7.3%,验证了方法在结构设计方面的可行性,为同类结构的轻量化设计提供了有益参考。     

空间相机结构设计中的拓扑优化及尺寸优化

在复杂的整机力学环境下,以空间遥感相机支架最大自由模态为优化目标,将整机关键技术指标(基频、轻量化要求、自重变形要求等)作为约束条件,利用拓扑优化及尺寸优化技术,对某相机支架进行了优化设计。试验结果表明该方法能有效提高相机基频,相机支架实现了轻量化设计,质量减轻10%,验证了拓扑优化及尺寸优化技术在空间相机结构设计中的有效性。     

卫星结构振动响应灵敏度分析

文章针对某卫星存在的局部响应偏大的问题,对通过修改结构参数降低卫星的结构振动响应进行了研究。通过计算卫星响应相对卫星结构参数的灵敏度,得到了卫星结构参数对响应的影响大小,为修改结构来降低响应提供了依据。根据灵敏度分析的结果,选择一定的设计参数进行修改和响应计算,结果表明目标位置的响应得到了改善。     

热声载荷下高温合金薄壁结构非线性动态响应特性

针对航空航天薄壁结构热声疲劳问题,采用解析法和有限元法相结合,研究矩形薄板样件的非线性动态响应特性。首先,推导了四边简支矩形板在热声载荷下的四阶非线性偏微分大挠度运动方程,并利用伽辽金法将其转化为模态坐标系下的二阶微分方程组;对该方程组进行单自由度简化,计算并分析了平面温度与温度梯度对矩形板振动响应的影响。然后,采用有限元方法计算出四边简支矩形钛合金板在不同温度下的模态频率,以及定常声压级、不同温度下的振动位移和应力响应,并着重对位移功率谱密度进行了详细分析。基于上述计算结果,对响应基频随温度变化关系进行了对比分析,并研究了矩形板屈曲和跳变响应特征。     

桁架结构拓扑优化系统软件开发及其在大型天线安装桁架设计中的应用

针对大型复杂桁架式承力结构的构型设计和优化问题,基于桁架结构拓扑优化的半定规划模型及算法,以MatLab为平台设计开发了桁架结构拓扑优化系统(TODOSST)软件。首先以柔度最小化问题为例给出了桁架拓扑优化的半定规划模型,通过不同目标和约束的组合构造了优化模型库;然后在MatLab环境下完成了软件的框架设计和功能模块开发;最后将软件应用于大型天线安装桁架的构型优化。结果显示:使用TODOSST软件得到的优化设计方案能够显著减小结构质量,提高结构静/动态刚度,降低内部节点弯矩水平。优化结果对工程结构设计具有重要的参考价值,同时也验证了TODOSST软件应用于桁架结构构型设计的实用性和有效性。