细长体飞行器自由边界热模态试验与仿真

随着耐热承载一体化材料在新型高超声速飞行器上的应用,承力结构的工作温度不断提高,各类热模态特性逐渐得到关注。针对非平面形状的细长体飞行器自由边界条件下的热模态特性开展了研究。通过研究模拟气动加热条件的圆筒形加热笼、模拟自由边界的耐高温柔性支撑、非接触激光多普勒测振、耐高温激振杆激励等试验方法,获得了细长体结构自由边界条件下随温度变化的前3阶模态变化情况。结果表明：对此类薄壁长圆筒类结构,温度升高对模态频率影响可以超过6 Hz。开展有限元仿真,并与试验取得的热模态结果的变化规律进行对比。结果表明：建立考虑温度对结构弹性模量、热应力影响的壳单元模型,能够较好地预测出前3阶模态频率在全部受热时间范围内的最大下降量,可为高超声速飞行器控制系统设计时的拉偏范围提供参考。     

太阳电池翼在轨模态光学测量优化的计算机辅助方法

非接触光学测量方法,可作为空间站太阳电池翼等大型航天器柔性部件在轨模态分析的一种潜在手段。为合理布置相机的拍摄工位及视角,有效捕捉靶标运动的位移及方向,提出了利用轨控或姿控激励下柔性附件瞬态响应的结构动力学仿真结果,结合计算机图形学仿真技术,预示虚拟靶标运动过程成像及其位移重构效果,从而对测量有效性做出判断的实验方案评价方法,并通过仿真实验对其可行性进行了验证。该方法可发展为航天器在轨模态测量的计算机辅助优化工具,能充分利用结构动力学仿真成果,弥补大型柔性部件地面实验的不足。     

动力学缩聚模型修正的矩阵逼近法

为避免结构动力学分析中修正有限元模型时的大型稠密矩阵运算,研究了一种用基于矩阵逼近的有限元缩聚模型修正法。根据有限元模型的缩聚和修正,给出了试验模态的扩阶、物理模态到广义模态的映射和矩阵逼近,并讨论了结构存在重频时模态的相关性。算例表明,该法可行。     

具有不确定性连接刚度的太阳电池阵基频分析

以铰链副抗弯刚度具不确定性的太阳电池阵为研究对象,考虑加工和实验误差等随机因素,用数值计算方法仿真电池阵的基频实验,对安装在同一电池阵上的不同组、抗弯刚度满足一定分布规律的铰链副进行多次仿真实验,建立了铰链副抗弯刚度和电池阵基频的仿真样本,用高斯过程回归方法训练出两者间的映射关系,获得了电池阵基频期望值及置信区间关于铰链副抗弯刚度的变化关系。给出了电池阵基频关于铰链副刚度参数不确定性的分析流程。分析结果表明:在铰链副刚度不确定条件下,高斯过程回归方法可确定电池阵基频期望值和协方差表达式中的超参数,与其他回归或插值方法等相比,不仅能预示电池阵基频的期望值,而且可估计其置信区间。在加工和实验误差不可避免的实际情况下,有必要生产多组铰链副进行模态实验并对同一组铰链副适当增加重复实验次数,使其能合理预示电池阵基频的不确定性,减小实验误差的影响,预示合理的基频。     

整星隔振技术的原理分析

用刚度—质量—阻尼模型分析在地面振动试验条件下带隔振器的卫星振动传递函数,得 到隔振前后振动传递函数与卫星模态阻尼、卫星频率下降率和隔振器损耗因子的关系。据此 关系,从抑制共振响应峰值和隔离中高频振动两方面提出了整星隔振器刚度和阻尼设计的若 干准则。     

有限元法在光学侧窗热防护设计中的应用

光学侧窗热环境极为严酷,可采用液体对流内冷却技术对光学侧窗进行热防护。以有限元法对光学侧窗温度场进行了分析研究,研究结果表明:该方法计算精度可靠;液体对流内冷却技术能有效起到降温的作用。同时还定量的给出了冷却液用量对结构温度场的影响,为设计的经济可行性提供了保障。     

基于驱动机构作动的太阳翼振动控制原理与实验研究

针对航天器在调姿或变轨过程中太阳翼长时间、低频振动引起航天器系统无法正常工作的问题,以太阳翼自身驱动机构为作动器,提供反馈控制力,进行振动抑制。在原理性研究的基础上,建立了贴近工程实际的真实尺寸太阳翼有限元模型,改进了控制算法,实现了太阳翼在振动控制结束后的正确复位,并利用动力学缩比模型对振动抑制方法的有效性开展了实验验证。结果表明:该方法不需引入额外的非有效载荷,能够在保证太阳翼不偏离目标位置的同时,有效抑制太阳翼的低频振动。     

轴承支撑的舵面热模态试验及支撑刚度辨识

对在大气层内及临近空间内长时间飞行的高超声速飞行器,其舵面的模态特性比固支的翼面更加复杂,除了与舵面自身的弹性模量及内部热应力有关外,还受到根部支撑刚度的较大影响,并且支撑刚度还将受到温度的影响。以轴承机构支撑的舵面为对象,考虑温度对支撑刚度的影响,建立了非固支的全动舵面支撑边界条件。通过设计舵面受热相同、支撑部位受热不同的加热工况,辨识出了连接面两侧温升对舵面支撑刚度的线性影响规律,并验证了辨识结果的有效性。结果表明：在舵面受热相同情况下,降低支撑部位的温升,可以有效减少舵面模态频率受气动加热的影响。研究结果可供安装此类舵面的飞行器防热设计参考。     

冲击试验条件的转换方法及其应用

对冲击试验条件的转换方法进行了研究。利用从频域响应谱到时域激励信号的不唯一性,由小波合成法构造足够数量满足响应谱试验规范的时域激励信号,并施加到单机的有限元模型。用MSC．NASTRAN软件仿真计算单机中元器件安装位置处的响应。统计响应样本,获得在一定概率条件下元器件可能出现的响应峰值。将该峰值作为元器件冲击试验的半正弦波幅值,并以元器件产生最大响应的激励持续时间作为元器件冲击试验的作用时间参数,实现冲击试验条件的转换。给出了一个单机模型的冲击试验条件转换实例。     

星箭耦合力学分析中的卫星混合模型研究

为准确预示卫星所承受的载荷和动力学环境,需要卫星研制单位提供卫星动力学模型,进行星箭耦合动力学响应分析。随着“细长型”构型卫星逐步增多,仅以星箭界面载荷进行卫星强度校核会带来较严重的过设计,需要形成一种适应内部界面载荷提取的卫星分析模型生成方法。基于子结构缩聚及装配的基本原理,将卫星合理划分为多个子结构,推导了各子结构缩聚后质量和刚度矩阵的生成方式,介绍了子结构间物理连接单元与各子结构缩聚模型装配的原理以及卫星混合数学模型生成过程。以某典型卫星结构为例进行分析验证,结果表明:卫星混合模型在保留了缩聚模型各项优点基础上,实现了卫星内部界面物理单元的载荷输出。