索网结构非线性有限元分析中初始张力状态的快速构造方法

预应力索网结构是以柔性拉索为主要承重构件或辅助承重构件的一种结构体系,用于可展开天线等空间结构。为在有限元数值分析时准确、高效地施加张拉预应力,综合考虑索网的几何非线性、刚度矩阵奇异性、索网与支撑结构存在耦合变形等问题,利用索网式可展开天线的特性,在非线性有限元计算时忽略初位移刚度矩阵,将问题线性化,并详细介绍了以降温法模拟预应力时降温值的计算过程。此方法无需迭代,且得到的降温值在用于索网非线性计算时具有足够的精度;此方法能充分利用通用有限元计算程序,可进一步开展模态和响应等力学计算,便于在工程中实际应用。     

大型柔性空间结构热-动力学耦合系统的非线性有限元分析

针对在轨航天器柔性附件的热-动力学耦合系统,发展了一种基于更新Lagrange格式的非线性有限元分析方法。构造了一种一维温度杆单元,该单元通过增加节点自由度数能够同时得到薄壁杆件横截面的平均温度和沿杆截面周向的温差,这些温度直接产生相应的热轴力、热弯矩和热双力矩。利用Rodrigues公式得到薄壁梁在大转动情况下的坐标转换矩阵,并推导了非线性动力学方程。进一步考虑结构变形和热流入射角的相互影响后,就得到了高度非线性的热-动力学耦合有限元方程。首先用标准考题验证了该方法的正确性,然后利用该方法对哈勃太空望远镜太阳翼的热诱发弯扭耦合振动问题进行了分析,给出了可能导致其失效的模式。
     

空间可展开结构热致振动分析方法研究综述

空间可展开结构在轨服役期间受冷热交变热载荷的作用会产生热致振动现象,使得结构精度下降,进而影响其工作效能,因此在结构设计与制造阶段准确地预测热导致的热-结构耦合动力学行为,并对热致振动问题加以规避是至关重要的。从上个世纪50 年代Boley 提出热致振动的概念至今,学者们不断探索新的分析方法。早期学者大多以简化的板或梁作为对象研究其热致振动机理;21 世纪后学者们开始了有限元结合数值方法研究具有显著几何非线性、运动副间隙等特点的大型空间结构热致振动问题;近年来有学者采用绝对节点坐标法建立耦合的热-结构分析模型,用于分析大转动、大变形航天结构热致振动问题。文章针对空间可展开结构热致振动这一现象,系统性地总结了从热致振动概念提出到近年来热致振动问题的研究方法,并提炼出发展中亟待解决的关键问题,为热致振动问题的进一步研究提供参考。     

考虑温度大范围变化的瞬态热固耦合方法研究

针对传统瞬态热固耦合方法不能准确反映温度大范围变化时传热与结构变形之间的耦合效应,基于Galerkin与Newmark算法,建立了充分考虑温度大范围变化对耦合项影响的瞬态热固耦合有限元计算方法。通过求解铝质薄板在强热流作用下的热响应问题,校验了该方法的正确性,并利用该方法对某型高超声速飞行器进气道热防护面板进行了瞬态热固耦合分析。利用理论公式证明并通过分析算例得出结论：温度剧烈变化对热固耦合问题的计算结果影响十分显著;考虑温度剧烈变化的耦合项对结构的温度场影响较小,但会使温度变化率呈现震荡状态,耦合项对结构的位移、变形速度及变形加速度有显著影响,对结构的振动起到阻尼作用。     

航天员出舱牵引构型设计与结构响应性能评估

针对航天员出舱过程所用安全绳锁挂频繁的问题,进行了安全高效的航天员出舱牵引系统构型设计,可作为太空行走的辅助导向装置。基于材料结构弹塑性力学方程与含应变耦合项的热传导方程,推导结构热力响应可计算数学模型,利用Newmark方法以及Crank-Nicolson数值格式分别对热弹性方程和热传导方程进行时间域上的离散,构造金属结构响应无条件稳定隐式有限元格式,搭建了温度场与位移场相互影响热力耦合有限元算法(FEM)性能评估软件系统,以此对牵引系统的导轨进行热力耦合数值计算,得到在太阳辐射外热流载荷作用下具有较强抗变形能力的结论。计算了航天员采用牵引系统出舱时对导轨产生的拉力,并借助ANSYS Workbench对导轨进行静力学求解,验证了该牵引系统具备结构强度可靠性,可为空间站建设舱外作业平台提供重要理论分析依据与设计参考。     

气动加热与热响应耦合分析及试验研究

文章介绍了Ma（马赫数）＜6的飞行器典型部位的气动加热与热响应耦合分析及试验验证技术。气动加热计算模块采用的是工程算法,同时将其集成到自主开发的结构有限元三维温度场计算ASTSA软件平台上,实现了气动加热与热响应耦合分析功能。在结构地面热试验方面,成功研发了全方程热流密度PLC控制热模拟试验系统,并利用该系统进行了高速飞行器结构气动加热与热响应耦合地面模拟试验。试验与数值分析的结果对比显示,二者吻合较好,验证了本数值分析方法的正确性。     

基于太阳模拟器的网状天线热变形仿真与试验研究

准确预示天线在轨温度并分析天线热稳定性的影响因素是改善天线性能的重要方面。文章通过构建网状天线热分析和热变形有限元模型,仿真得到碳纤维主反射面、支撑肋组件等结构在两种工况太阳侧照下的温度场以及热变形场;在真空低温环境下,利用太阳模拟器对网状天线进行热真空原位环境热变形摄影测量试验。对比表明,仿真模型计算结果与试验测量结果符合性较好。鉴于模拟外热流的准直性对试验结果的影响较大,在热仿真时需要针对入射热流的准直性对热模型进行辐射误差补偿。     

辐射换热条件下空间薄壁圆管结构瞬态温度场、热变形有限元分析

对航天结构中常见的辐射换热条件下的空间薄壁圆管结构，构造了一种用于非线性瞬态温度计算的傅立叶－有限单元。圆管温度沿杆长用有限元离散，沿周向分布展成三角函数。圆管温度单元每个结点包含平均温度、余弦和正弦分布温度幅三个自由度，并且在每个时间步内实现了平均温度增量与沿截面温差增量的解耦。在结构热变形分析时圆管单元节点上既承受温度轴力，又承受截面温差导致的热弯矩。采用这种单元对非线性换热条件下的复杂空间结构进行离散可以较准确地反映结构的温度场与热变形。经与前人的解析解和三维有限元结果的验证，证明该单元是可靠的。对太阳能帆板梁与空间抛物面天线的热－结构分析说明这种新单元的应用价值。     

基于非线性有限元降阶方法的网格加筋筒壳结构屈曲承载特性研究

非线性有限元数值计算方法是结构屈曲性能评估的主要手段,然而该方法需要基于精细网格迭代求解,降低结构非线性计算规模是其关键技术之一。采用一种结构非线性有限元降阶方法,对均匀轴向压载荷作用下的网格加筋筒壳结构进行了细致的承载稳定性特性分析。该方法将Koiter初始后屈曲理论与Newton弧长法相结合,通过多次使用Koiter摄动展开来跟踪结构非线性平衡路径。计算比较了特征值屈曲载荷和计及几何非线性效应的非线性屈曲载荷值;采用侧向小扰动载荷模拟结构初始几何形状缺陷,分析了缺陷幅度对临界屈曲载荷的影响规律,在验证了非线性有限元降阶方法分析精度的同时,细致考核了该方法在结构非线性屈曲分析以及缺陷敏感性分析中的计算效率优势。     

应用有限元法对某热试验支架进行热-结构耦合变形分析

文章应用有限元分析软件计算某热试验支架在常温纯静力环境下及低温热-结构耦合环境下(100K)的变形分布情况,分析在这两种环境下热试验支架上试件的绝对变形量和相对变形量,从而研究低温环境对试件结构变形分布的影响。通过仿真计算得知：低温环境下,试验支架结构整体产生了收缩;试件的相对变形量与其约束状况有一定的关系,不对称约束可能会使试件在低温下的相对变形量增大。     

非均匀气动加热下隔热层结构的优化设计

为获得非均匀气动加热条件下高超声速飞行器不同部位的合适的热防护系统厚度,发展了一种基于网格变形技术（ASD）的隔热层结构优化方法。以高超声速飞行器的复合材料隔热层结构为研究对象,采用有限元法在局部均布热流载荷、三角形均变热流载荷和二次函数热流载荷等作用条件下建立隔热层结构的热固耦合分析模型,提出了基于ASD技术与热固耦合分析相结合的结构轻量化设计方法。结果表明,基于网格变形技术能够快速有效地解决优化过程中的网格自动更新问题,并得到了光滑柔顺的厚度形状曲线,优化后更充分发挥了隔热层结构各层材料的承载能力。     

航天器再入全过程轴对称烧蚀热防护数值仿真研究

对航天器再入全过程轴对称烧蚀热防护进行了全过程数值仿真研究.采用修正Lees驻点热流密度方法和参考焓方法计算再入热流密度.采用JANAF模型计算烧蚀率.利用有限元法计算钝锥体再入航天器烧蚀层在移动边界条件下的轴对称温度场.采用碳化层-热解面-原始材料的轴对称碳化烧蚀模型;推导了热解气体流量计算方法.针对再入飞行大热流密度条件下,用有限元方法求解瞬态温度场时会产生的时间和空间上解的振荡问题.通过分析温度振荡现象产生的原因,采用集中热容矩阵向后差分方法解决振荡问题.计算结果表明,在时间步长选择合适的情况下,求解集中热容矩阵能够很好地解决数值振荡问题,同时烧蚀率和温度场计算比较准确.     

空间伸展臂热应变与热变形光纤监测技术

针对空间伸展臂在热载荷作用下承载特性与形态变化的监测需求,提出了一种基于分布式光纤传感器的伸展臂结构温度、热应变以及热变形集成监测技术。借助ANSYS Workbench有限元分析软件,构建了单端热载荷作用下铝合金空间伸展臂结构热-力模型,分别得到不同局部热载荷下伸展臂轴向温度、热应变以及热变形分布与变化规律。在此基础上,提出了基于有限元分析与热传导理论的两类伸展臂轴向热变形计算方法。构建了分布式光纤传感监测系统,实时监测伸展臂若干关键位置的温度值与应变值,进而反演出结构轴向温度场、应变场连续变化信息。研究表明:采用有限元拟合法与热传导解析法计算所得伸展臂轴向热变形误差分别为5.256%与3.556%。相关成果能够为未来航天器在轨服役状态监测与辨识提供技术支撑。     

局部多孔壁－内腔结构的气动加热瞬态特性

根据超声速飞行器外表面连接结构处密封结构几何特征,以局部多孔壁和内腔结构为研究对象,建立流/固/多孔区域流动和传热过程耦合计算模型,其中多孔区域中运用分布阻力法,流、固区域间换热过程采用准稳态耦合计算方法。经过与相关实验数据进行对比,验证了程序可靠性,并进一步分析在整个长时间瞬态过程中,该密封结构的流动和传热特征,阐明了在瞬态过程中多孔材料等效热流对缝隙壁面的加热作用。研究了有、无多孔材料填充两种情况下缝隙壁面热流分布形态的差异,探讨了缝隙中填充多孔材料对高速流场边界层热气流侵入内腔过程的影响。
     

小推力单元肼推力器温度场数值分析 (I)实验验证和保温套筒对温度场影响探析

建立了某小推力单组元肼推力器的全仿真传热数学模型,应用有限元分析方法对长程工作的不带套筒推力器瞬态温度场进行了热分析计算,并与试车温度数据进行了比较,数值计算结果与实验结果吻合良好,证明所用软件建立的模型合理。对增加套筒后的推力器进行了仿真模拟,结果表明,推力器脉冲长程工作后,单层套筒点焊于法兰盘上时集液腔温度较高,双层套筒时集液腔温度最高,均对法兰盘集液腔及电磁阀产生高温不利影响,推荐使用点焊在热控环上的热控方式;推力器温启动时,单、双层套筒保温效果相差不大,推荐使用单层套筒点焊于热控环上的热控方式。     

飞行器结构部件导热/辐射耦合传热特性预测方法

采用数值方法求解气动热环境,基于蒙特卡罗方法求解内部空腔辐射换热及有限元方法求解三维导热,建立了沿弹道求解导热/辐射耦合的热响应预测方法,计算并获得了沿给定飞行弹道条件下的考虑内部辐射和不考虑内部辐射时的某高超声速飞行器结构部件的热响应特性。研究表明,所发展的耦合计算方法具有较高的精度和较好的工程适用性;考虑内部辐射时,结构部件局部最高温度明显低于不考虑辐射时,最高相差400K以上,且温度分布趋于均匀,温度梯度减小。相关研究对高超声速飞行器防热结构设计与优化具有重要参考意义。     

小推力单元肼推力器温度场数值分析 （I）实验验证和保温套筒对温度场影响探析

建立了某小推力单组元肼推力器的全仿真传热数学模型，应用有限元分析方法对长程工作的不带套筒推力器瞬态温度场进行了热分析计算，并与试车温度数据进行了比较，数值计算结果与实验结果吻合良好，证明所用软件建立的模型合理。对增加套筒后的推力器进行了仿真模拟，结果表明，推力器脉冲长程工作后，单层套筒点焊于法兰盘上时集液腔温度较高，双层套筒时集液腔温度最高，均对法兰盘集液腔及电磁阀产生高温不利影响，推荐使用点焊在热控环上的热控方式；推力器温启动时，单、双层套筒保温效果相差不大，推荐使用单层套筒点焊于热控环上的热控方式。