采用敏度分析和计算流体力学的气动力设计最优化

介绍一种以计算流体力学（ＣＦＤ）－敏度分析算法为基础的气动设计优化方法。这种方法新颖而有效，可用于设计轴向推力最佳的超音速冲压式喷气发动机后体外形。用无粘流分析方法求解欧拉方程，依次产生目标函数和各种约束。因此，ＣＦＤ分析是与最优化过程采用的约束极小化方法相结合的。对于最优化所需的敏度系数，即目标函数和约束的梯度采用半解析法获得，而不采用传统的有限差分平滑方法。在一维寻优过程中，为了降低计算成本，     

降低热变形的卫星有效载荷安装结构优化设计

在整星有限元热变形分析基础上,以有效载荷安装结构热变形最小为目标,对安装结构依次进行拓扑优化及设计敏度分析和尺寸优化。结果表明：通过优化设计,在显著降低该结构热变形的同时大幅减小其质量;拓扑优化给出结构基本构型,尺寸优化进一步细化结构设计方案,二者结合能有效改进结构设计。     

蜂窝夹层结构抛物面天线型面精度仿真分析

星载抛物面天线在绕地球工作时会产生较大的热变形。为了获得在近地服役环境下全尺寸反射器型面精度模拟的工程方法,采用ABAQUS有限元和最小二乘法,对口径1.2 m的小尺寸蜂窝夹层结构天线进行热变形和均方根(RMS)值计算,对热膨胀系数、蜂窝高度和蒙皮铺层数量等因素进行分析。结果表明:蜂窝高度方向的热膨胀系数是影响RMS值的最主要因素。当蜂窝高度为65 mm,上、下蒙皮铺层数量为12层时,型面精度RMS值满足设计要求。最后基于实际装配条件计算全尺寸反射器在-80～120℃下的热变形,发现紧固件和预埋件可以有效减小工作面热变形,并且得到全尺寸反射器RMS值为40.45μm。该研究结果可为星载固面蜂窝夹层结构反射面天线结构的设计提供依据。     

空间环境铝合金板结构热属性光纤监测技术研究

针对空间结构受热循环载荷作用而影响航天器功能与安全的情况,采用温度补偿方法,对基于分布式光纤传感器的板结构热应变和热变形测量技术进行研究,提出了一种基于光纤应变转换矩阵的铝合金板热膨胀系数计算方法,考虑了材料横向应变对结构热膨胀系数测量精度的影响,可为各向异性复合材料构件多方向热膨胀系数测量提供理论支持。研究表明:温度-70~100℃范围内,铝合金板所受热应变引起光纤光栅中心波长偏移量约462.4pm,中心波长偏移量与温度的相关系数约0.999;在温度100℃热载荷作用下,铝合金板在横、纵向变形量均约0.75mm;铝合金板热膨胀系数随温度变化呈现非线性,低温下不能将铝合金材料热膨胀系数近似为常数。研究为后续航天器空间服役状态在轨监测提供参考。     

星载天线反射面型面热变形影响因素分析

星载天线在轨运行时受到周期性的温度变化影响,天线反射面会发生热变形,影响天线增益.热膨胀系数是描述结构热变形的重要参数,并且会随温度变化;在进行结构热变形分析时若将热膨胀系数视为常数会给仿真分析带来误差.文章以抛物面天线反射面为研究对象,考虑热膨胀系数随温度的变化,针对ULE玻璃和M55层合板材料的反射面,仿真分析反射...     

碳纤维/铝蜂窝太阳翼基板热变形分析

以某卫星的碳纤维/铝蜂窝太阳翼基板为对象,研究了碳纤维层合板和铝蜂窝芯层弹性常数和热膨胀系数的等效计算。分别采用等效参数和I-deas软件中的Laminate铺层模型等方法,分析了高温和低温状态下太阳翼基板的热变形,并对计算结果进行了比较,初步说明热变形分析是可行的。面板铺层材料参数对基板的热变形影响很大,在建立分析模型时不能将其等效为各向同性的均匀材料。     

碳纤维复合材料天线反射面低变形优化设计

为了保证星载天线的在轨工作,需要严格限制天线的热变形。文章参考国外先进天线设计案例并考虑国内生产工艺,以某卫星抛物天线反射面为研究对象,采用全碳纤维复合材料夹层结构设计新型天线反射面构型。首先,给出天线型面误差的计算过程来反映天线热变形程度;然后,基于正交试验法,对某卫星的天线反射面型面误差值影响因素进行分析;最后,在此基础上分别对蒙皮与芯层完成低热膨胀系数的优化设计。仿真结果显示:文章设计的全碳纤维材料天线夹层结构因热变形而产生的型面误差仅约为原先设计的全铝反射面的1/6,证实了全碳纤维材料天线夹层结构在低变形方面的优势及此优化设计方案的可靠性。     

高轨卫星机热一体化星敏感器支架设计

传统轻合金金属材料星敏热器支架由于热膨胀系数一般为10-5/℃,空间热环境下,星敏感器安装面热变形较大,不能满足高精度卫星使用需求。文章给出了一种高刚度高精度微变形机热一体化星敏感器安装支架设计方法,试验表明:星敏感器支架与星敏感器组合体一阶固有频率178.4Hz,具有足够的刚度特性,星敏感器安装面力学环境水平远优于允许值,有效保护了星敏感器的光学部件;同时在轨极端工况下,星敏感器安装面指向最大热变形变化量为6.41″,峰值为1.58″,实现了卫星在轨姿态确定精度优于2.8″,满足了卫星高精度定姿及图像导航配准要求。     

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。     

伞状天线张力绳索热变形敏感性分析

文章分析了张力绳索的热变形过程,得出了要减小张力绳索热变形影响应遵循的匹配原则;对张力绳索的弹性模量、直径和热膨胀系数对型面均方根误差的影响程度进行了单变量敏感性分析和多变量敏感性分析,结果显示,网间张力绳的特性直接影响了温度载荷下的型面精度,是张力绳设计的关键.     

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。     

碳/环氧编织复合材料热膨胀特性分析

采用理论与试验相结合的方法,研究了碳/环氧三维编织复合材料的热膨胀特性。通过试验方法获得了不同规格的三维编织复合材料在编织方向的热膨胀系数,并基于均匀化理论建立了编织材料热弹性性能的分析方法,对数值结果与试验值进行了比较。研究表明,三维编织复合材料在编织方向上具有典型的负膨胀特性;与三维四向编织结构复合材料相比,三维五向编织结构复合材料具有较小的负膨胀系数;三维编织复合材料编织方向的负膨胀系数随着纤维体积含量的增大而减小,随着编织角的增大而增大;基于均匀化理论的热弹性数值分析方法可有效地预报三维编织复合材料的等效热膨胀系数,数值计算值与试验结果吻合较好。     

主控格栅反射器基体结构/压电作动器参数集成优化设计

为提高反射器形面控制能力和减小在轨热变形，本文以锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)驱动的主控格栅反射器为研究对象，开展反射器基体结构和PZT压电作动器参数的集成优化设计研究。首先，建立主控格栅反射器有限元模型并通过实验验证了有限元模型的正确性。然后，以形面控制能力最大和热变形最小为目标函数，以设计变量上限、下限和结构基频为约束，采用遗传算法(GA)和非支配排序遗传算法(NSGA II)求解。最后，给出多个仿真算例的优化结果。仿真结果表明，控制能力最大的单目标优化，其热变形远大于控制能力，多目标的帕累托(Pareto)最优前沿可以给出更合理的设计方案。通过优化设计可以显著提高形面控制能力和减小热变形。     

航天器高稳定结构热变形分析与试验验证方法研究

航天器高稳定结构研制须探讨微米级结构热变形仿真分析与试验验证工作,以满足空间环境交变温度载荷下结构微变形要求。根据机热一体化设计的特点,提出机热一体化分析方法进行机、热载荷交互,机、热温度场交互过程由手动赋值的几天时间缩短至几分钟,且映射误差小于1℃。基于数字图像相关测量技术,采用高稳定结构微米级变形的非接触式测试方法进行试验验证。结果显示,文章中的高稳定结构在轨热变形为2~30μm。文章提出的分析与试验验证方法,可为航天器高稳定结构设计及验证提供参考。     

C/C复合材料高温热物理性能实验研究

实验研究了烧蚀防热C／C复合材料从常温到高温的等效热膨胀系数、热扩散率、比热随温度的变化情况，并计算了材料不同温度下的热导率与抗热应力系数。结果表明：材料的热膨胀系数很小，接近零膨胀。热扩散率随温度升高而下降，比热随温度升高近似比例增加，而热导率随温度的变化规律与热扩散率相似。材料的抗热应力系数随温度的升高变化不大，抗热震性能稳定。     

导弹轨姿控舱体的强度分析

借助NASTRAN和PATRAN有限元分析软件,对承受多种加载方式的导弹轨姿控舱体进行了有无补强措施对比的强度分析。计算结果表明,轨姿控舱体设计的安全系数高;采取施加压紧盖的补强措施后,可分别使轨姿控舱体的最大应力值和最大变形量约降低到原值的1/2。试验结果证明,这种计算分析方法有效、可靠。     

国外空间反射镜材料及应用分析

空间反射镜材料的选取与反射镜镜坯加工工艺直接影响光学遥感卫星的戍像能力。提高空间相机分辨率的直接途径是增大光学系统的口径,因此大口径空间反射镜的材料技术和镜坯加工技术受到了高度关注。在未来相当长的时间内,相关技术都是研究热点。文章重点研究了常用空间反射镜材料的特性,这些材料包括美国康宁公司的超低膨胀玻璃、德国肖特集团的微晶玻璃、碳化硅和碳化硅复合材料,并对熔接法、浇铸法、烧结法等常用的大口径反射镜镜坯加工方法进行了研究,调研了各类材料的实际在轨应用情况。最后根据上述材料的热膨胀系数和反射镜结构强度等特征,分析总结了这些材料的适用范围。