卫星结构设计与分析(上)--李建辉.ppt

,1.1概论,1.2卫星结构和机构功能,卫星结构,卫星机构,承受载荷,安装设备,提供构型,互相分离,承受或解锁,紧固或链接,展开位置及形状,指向规定目标,1.3卫星结构和机构设计的特点和原则,1.4卫星结构和机构分类,粒子探测器卫星,探月LCROSS二级载荷适应器,1.4卫星机构分类,功能划分1、压紧与释放机构2、展开机构3、驱动机构4、连接于分离机构,NASA发展高级太阳能池阵,1.5卫星结构和机构的研制程序,可行性论证,方案阶段,初样阶段,正样阶段,1.6卫星结构和机构技术的发展和展望,2.1概述,可靠性理论、热力学理论等等,2.2结构动力学,结构动力学三要素：系统（结构）、输入（激励）、输出（响应）系统分类：线性和非线性，保守和非保守系统结构动力学基本方法：分析和实验结构动力学方程：连续系统偏微分和集中参数常微分方程分析与求解：理论分析、数值分析和综合技术等,2.2结构动力学,2.3复合材料力学,合材料力学是研究复合材料本身力学性质的学科。一般为纤维增强，是一种比较特殊的不均匀的各项异性材料。,2.3复合材料力学,2.4结构有限元法,有限元的核心一是求PDE(偏微分方程)的近似解，二是离散化(discretization)。,有限元方程的建立,结构离散化,虚位移原理,有限元基本方程,线弹性有限元方程,选择位移方程,有限元法分析过程,2.4结构有限元法,弹簧元,板单元,体单元,梁单元,壳单元,杆单元,2.5结构优化方法,数学规划法是运用数学规划和优选法区寻求设计变量的最优解。,优化算法分为：梯度下降学派和牛顿法学派,2.6计算机辅助方法,结构分析能力排名：1、ABAQUS、ADINA、MSC、ANSYS体分析能力排名：1、ANSYS、ADINA、MSC、ABAQUS耦合分析能力排名：1、ADINA、ANSYS、MSC、ABAQUS性价比排名：最好的是ADINA，其次ABAQUS、再次ANSYS、最后MSC由于NASA的关系，MSC在航空和军工行业具有一定优势。,3.2卫星结构的工作环境,地面环境,再入环境,再轨环境,发射环境,1、起飞和地面噪声2、最大气动载荷3、稳态飞行4、级间分离5、整流罩分离6、星箭分离,1、真空2、热辐射3、带电粒子辐射4、紫外辐射5、原子和分子粒子6、微流星和空间碎片,1、再入气动力和气动热2、返回冲击,1、地面自然环境2、制造3、操作4、储存5、运输6、地面试验,3.3卫星结构载荷分析,3.4卫星结构的设计要求,基本要求,强制要求,导出要求,主要为结构件的强度和刚度，以保证结构稳定。,1、运载火箭系统对卫星结构的约束2、卫星系统对结构的设计约束3、任务环境对结构和机构的设计约束,不同类型的结构与机构，导出要求也不一致1、结构变形2、机械接口3、可操作性4、构型刚度5、疲劳寿命6、机构润滑等,3.5卫星结构的方案设计,确定方案设计条件和基本构型,选择结构形式和材料,形成初步方案,设计方案的比较和筛选,构型设计,主结构方案设计要求确定,次结构方案设计要求确定,结构形式的选择,结构材料的选择,结构连接方法的选择,比较的参数,比较的方法,3.6卫星结构的详细设计,详细设计步骤,3.6卫星结构的详细设计,安全系数,安全裕度,4.1概述,结构材料重要性,结构材料的工作环境,对材料的性能要求,4.2金属材料,4.3复合材料,4.3复合材料,碳/环氧复合材料,4.4结构材料的选择,复合材料相对于金属材料优点：1、很低的材料密度2、很高的比模量3、很高的强度4、颗设计性高5、热稳定性好，颗设计成零膨胀6、其他如腐蚀性等特点缺点：1、横向层间性能差2、韧性差3、二次加工差4、耐热耐湿性能差5、材料成本贵6、密封性能差,4.5结构材料的应用和发展,5.1概述,结构分析是卫星设计重要一环，也是验证设计常用方法之一，节省研制时间和费用，还可以指导试验。结构分析任务：对结构力学进行定量评价分析方法可分为解析解法和数值解法,5.2结构分析模型的建立,5.3结构静力分析,5.4结构模态分析,5.4结构模态分析,简支梁二阶振型变化,复杂系统运动方程解耦过程,特征方程,5.5结构动态响应分析,结构动态响应分的基本任务是研究结构在各类载荷作用下的动力学特征：1、结构频率响应分析2、结构随机振动响应分析3、结构噪声响应分析4、结构瞬态响应分析5、结构冲击响应分析,结构噪声响应分析主要依靠试验手段，理论研究还不成熟。理论研究目前低频用有限元，高频用能量统计分析法（能量可以结合力学和声学）。,5.6结构热形变及热应力分析,温度能够引起材料性能改变，也就影响结构性能，导致产生热变形和热应力。因为结构改变不太影响结构热传递，热和结构问题可以解耦分开研究。,热效应影响结构1热变形2热弹力冲击3热振动4热颤动5热结构失稳,UG有限元温度场下热变形值,6.2结构设计验证的方法,卫星的结构设计需要满足若干要求及约束条件，但最基本的是满足结构的静力特性和动力特性要求。针对于风险和费用的矛盾，引入可接受的折中验证方法。,方案设计初期比较重要，根据经验充分考虑合理性,是对产品图样技术条件的验证，也可以直接对产品进行检验,与分析相结合，类比一个结构与另一个结构相似，而另一个已经经过验证，从而降低技术风险且节省研制经费和时间。,1、研制试验2、鉴定试验3、验收试验4、有效性试验,6.3结构设计的验证计划,1、前言2、设计要求的简要说明，包括基本要求和导出要求3、环境条件的简要说明4