卫星结构设计与分析(下)

卫星结构设计与分析（下）

马佳第1页，共50页。目录●杆系结构●中心承力筒结构●板式结构●密封舱结构●防热机构●太阳翼结构和机构●天线结构和机构●连接与分离机构第2页，共50页。杆系结构

07●概述●杆系结构的设计●杆系结构的分析●杆系结构的应用第3页，共50页。杆系结构的功能可作为卫星的主承力结构，承受和传递卫星上的主要载荷可构成卫星的骨架结构，把卫星的有效载荷和各分系统链家在一起

杆系结构的功能可作为卫星的非主承力结构，为某些特殊的有效载荷而提供刚性支撑可作为重要设备的连接结构第4页，共50页。杆系结构的设计要求

设计要求刚度要求强度要求尺寸稳定性要求构型要求质量要求机械接口要求非机械性能要求第5页，共50页。杆系结构的材料选择比模量和比强度高材料工艺好，便于制造

较小的线膨胀系数具有良好的空间环境稳定性机械性能要求物理性能要求制造工艺性能空间环境要求第6页，共50页。杆系结构的设计

较合理的杆系结构不但可以保证构架的刚度，而且可以在质量不变的条件下得到更高的额固有频率整体构型设计杆设计杆件的主要形式：●金属挤压管●复合材料管●机加的开口截面杆件●由板材整体机加的平面杆系结构接头设计接头的主要形式：●胶接接头●螺接接头●焊接接头第7页，共50页。板式结构

08●概述●蜂窝夹层板材料●蜂窝夹层板设计●蜂窝夹层板的连接●框架板式结构第8页，共50页。板式结构的功能构成整星结构维持外部构型舱段连接机构设备支撑机构大型伸展结构第9页，共50页。蜂窝夹层板材料蜂窝夹层板的优点：●较高的强度质量比●较优的刚度质量比●较好的抗疲劳性能●良好的阻尼减振特性和良好的降噪隔热性能●结构的可设计性●具有平滑的表面●结构简单第10页，共50页。蜂窝夹层板材料面板蜂窝芯子胶黏剂第11页，共50页。框架板式结构框架板式结构的功能：●作为分舱结构的构造基础●可作为大型设备支撑结构部件●作为分离舱体的接口界面●作为分离的舱体在地面装配、测试及运输的支撑界面并承受载荷提出要求设计要求：●具有较高的整体强度，并承受局部搭载和的强度●具有较好的刚度●能满足各结构模块、大设备的布局连接第12页，共50页。框架板式结构02040103钣金成型将金属板材铜鼓模具形成角形、槽形及工字型等基本梁结构，或直接选用型材进行组装金属厚板材通过整体加工形成整体式框架板结构整体铸造成型用复合材料铺设成型第13页，共50页。中心承力筒结构

09●概述●中心承力筒结构方案选择●桁条加筋中心承力筒的设计●桁条加筋中心承力筒的分析●蜂窝夹层中心承力筒的设计●蜂窝夹层中心承力筒的分析第14页，共50页。概述中心承力筒功能承载整星载荷作为整星结构组装中心安装部分设备提供星箭接口提供设计和工艺基准提供卫星地面测试支撑第15页，共50页。中心承力筒的结构形式波纹壳光壳结构蜂窝夹层壳第16页，共50页。桁条加筋中心承力筒的结构形式桁条加筋中心承力筒的设计筒体蒙皮的设计桁条的设计下端框的设计上端框的设计中框的设计

纵向连接角片的设计第17页，共50页。蜂窝夹层中心承力筒的结构形式筒体设计筒体的设计包括筒体的直径、高度；内外面板的厚度、夹层的厚度、蜂窝格子的边长、蜂窝箔材的壁厚等连接设计筒体的设计包括筒体的直径、高度；内外面板的厚度、夹层的厚度、蜂窝格子的边长、蜂窝箔材的壁厚等第18页，共50页。密封舱结构

10●概述●密封舱结构设计●密封设计●密封舱设计的试验验证第19页，共50页。密封舱概述密封舱结构的设计要求：●密封要求●质量要求●强度和刚度要求●可靠性要求●安装要求●对接要求●功能要求提出要求密封舱结构的功能：●密封●承载●提供内部仪器设备布局空间●支撑和定位仪器设备●舱段对接●设计和工艺基准●防尘、隔热和接地第20页，共50页。密封舱结构设计密封舱壳体壳体材料选择●焊接性能好●比强度高●工艺性好●抗应力腐蚀●商品化程度高●硬壳式结构●半硬壳式结构●整体壁板式结构第21页，共50页。密封设计影响密封的因素：●密封件的工作环境●密封件的工作寿命●密封件的材料性能●密封件的压缩率●密封件的安装措施●密封件的结构形式●密封件的表面精度密封材料的性能：●弹性还，永久变形小●具有能与密封面贴合的弹性●适当的强度和硬度●材料致密性好，透气率低●在一定温度范围内可保持物理、力学、化学性能●对工作介质的兼容性●对金属接口不腐蚀●较小的摩擦吸收以及较好的耐老化性能密封形式：●密封圈●橡胶波纹管●相机窗玻璃密封第22页，共50页。密封舱设计的试验验证

验收试验在进行水压试验后，采用保压法进行气密验收试验

检漏试验评价与验证密封舱的漏率是否满足要求

力学实验静强度试验：水压试验动强度试验：振动响应试验

热真空试验全星热真空试验第23页，共50页。防热结构

11●概述●吸热放热结构●辐射防热结构●烧蚀防热结构第24页，共50页。防热结构概述设计任务类型设计要求设计出一种能使返回舱经受返回气动加热，防止返回舱发生过热和烧毁的结构●吸热●辐射●烧蚀在总体设计所规定的质量和被防护的本体结构所允许的最高温度的约束下，设计出能经受各种飞行环境以及飞行前地面环境的防热层第25页，共50页。吸热防热结构第26页，共50页。辐射防热结构辐射防热材料的构成：辐射蒙皮：外表面辐射系数≥0.8，内表面辐射系数尽可能低；隔热材料：阻止热量向内部传递；本体结构：被防护第27页，共50页。烧蚀防热结构热解温度炭化温度烧蚀防热材料的热效应：●原始材料层：热容吸热和向内导热；●热解层：热解吸热，热解气化吸热，向内导热层内的主要现象是材料的热解；●炭化层：炭层及热解气体温升吸热，炭层向内导热，可能发生炭层高温氧化或热解气体二次裂解吸热；●炭层表面：表面发生复杂的热现象，既有加热、也有散热。第28页，共50页。太阳翼结构和机构

12●概述●太阳翼结构的设计与分析●太阳翼机构的设计与分析●太阳翼结构机构设计的试验验证第29页，共50页。太阳翼的结构和机构第30页，共50页。太阳翼结构的设计基板构型基板结构连接架确定基板的外形尺寸和板上压紧的数量和位置为了减小基板质量和提高基板刚度，一般采用蜂窝夹层结构连接架的长度为基板宽度的一半，最大高度与基板高度一致第31页，共50页。太阳翼机构的设计

●压紧杆设计

●压紧衬套的设计

●火工切割器

●压紧杆缓冲和保持装置设计压紧与释放机构铰链绳索联动系统●公铰和母铰设计●轴承设计●驱动弹簧设计●锁定装置设计●绳索预张力的确定●绳索预张力的控制●绳索强度●绳索的连接●绳索的支撑第32页，共50页。太阳翼结构机构设计的试验验证关键零部件性能测试驱动弹簧的弹簧常数关节轴承的配合游隙联动绳索的加载验证铰链摩擦阻力矩连接电缆阻力矩压紧杆加载验证压紧与释放机构功能验证基板噪声太阳板温度交变太阳翼展开试验太阳翼展开所需时间太阳翼展开期间个太阳板的夹角联动装置的绳索张力各铰链的锁紧状态太阳翼展开后的翼面位置力学性能试验噪声试验正弦波动试验第33页，共50页。天线结构和机构

13●概述●天线结构和机构的方案设计●天线结构和机构的详细设计●天线结构和机构的分析第34页，共50页。天线概述设计要求分类功能实现传输线与自由空间的阻抗匹配，实现电磁波向特定方向的辐射线天线、喇叭天线、阵列天线、反射面天线●构型要求●机械接口要求●质量和质量特性要求●刚度和强度要求●空间环境要求●材料要求●可靠性和寿命要求第35页，共50页。天线结构和机构的详细设计刚性反射面天线反射面结构设计反射面必须可以反射电磁波并且具有良好的刚度，因此碳纤维封魔夹层结构成为首选。●反射面型精度与尺寸的稳定性反射面板一般设计成近似面内个性同性●采用较薄的反射面辅以加筋天线机构设计真空环境对天线机构的润滑是个考验，采用MoS2可解决●天线展开机构展开铰链采用滚动轴承和温度补偿装置驱动装置采用电击齿轮单元和弹簧单元展开定位机构由定位块完成●压紧释放机构常采用压紧杆和张力索●天线指向机构步进电机驱动（采用开环控制）●天线跟踪系统采用闭环控制第36页，共50页。天线结构和机构分析力学分析刚度分析强度分析热分析温度场分析热变形及热应力分析动力学分析初始条件分析运动学仿真静平衡分析动态分析线性分析第37页，共50页。连接与分离机构

14●概述●火工装置●星箭连接与分离结构的设计与分析●舱段连接与分离结构的设计与分析第38页，共50页。连接与分离结构功能：实现航天器本体和部件之间、舱段之间、航天器和运载火箭之间以及航天器之间的牢固连接和分离的装置。设计要求应该首要考虑安全性和可靠性。第39页，共50页。火工装置第40页，共50页。火工装置撞针电起爆器主装药燃烧室壳体活塞剪切销O形圈第41页，共50页。星箭连接与分离结构的设计与分析在地面和火箭动力飞行时，保证星箭可靠性连接，到预定轨道，保证星箭分离。第42页，共50页。舱段连接的设计与分析连接部件的选择舱段连接分析连接件上载荷的确定预紧力的确定连接件设计载荷的确定对接框刚度设计拧紧力矩的确定第43页，共50页。舱段分离的设计与分析020103●保证分离后速度和姿态●控制解锁与分离时序●减小解锁与分离时冲击和噪声●保证解锁与分离同步●考虑分离的因素●火工分离推杆●弹簧分离推杆●火工锁●分离火箭分离装置的形式设计要求分离系统设计●直接使用电起爆方案●使用燃气发生器方案●非电传爆方案第44页，共50页。工作映射

15第45页，共50页。SAP2000SAP2000（StructureAnalysisProgram2000）是一款结构分析软件，为SAP系列软件的升级版，集成了常用的所有功能。SAP2000可以完成模型的创建和修改、计算结果的分析和执行、结构设计的检查和优化以及计算结果的图表显示(包括时程反应的位移曲线、反应谱曲线、加速度曲线)和文本显示等等。SAP2000具有极强的功能，如建模功能(二维模型、三维模型等)、编辑功能(增加模型、增减单元、复制删除等)、分析功能(时程分析、动力反应分析、push-over分析等)、荷载功能(节点荷载、杆件荷载、板荷载、温度荷载等)、自定义功能、以及设计功能等。●载荷工况及组合●静力线性分析●模态分析●反应谱分析●线性时程分析●高级分析功能第46页，共50页。ANSYSANSYS有限元是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域：航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、运动器械等。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。●能实现电子设备的互联●仿真各种类型的结构材料●简化复杂流体动力学工程问题●基于模型的系统和嵌入式软件开发分析类型●结构静力分析●结构动力学分析●结构非线性分析●动力学分析●热分析●电磁场分析●流体动力学分析●声场分析●压电分析第47页，共50页。结构力学分析结构静力学：结构静力学分析是用于计算由那些不包括惯性和阻尼相应的载荷作用于结构或部件上引起的位移、应力、应变和力；结构静力学的特点是不考虑惯性和阻尼的影响。结构分析步骤：●定义单元类型●定义材料属性●建立几何模型和网格划分●选择分析类型●对求解进行控制●施加载荷●求解结构动力学：结构动力学分析是分析结构在承受随时间变化的载荷作用下的动力学特性。第48页，共50页。热分析热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数，如热量的获取或损失、热梯度、热流密度（热通量〕等。稳态传热：系统的温度场不随时间变化瞬态传热：系统的温度