航天器结构的热弹性-结构动力学分析

发布时间：2020-03-25 06:16

【摘要】：航天器在服役过程中会周期性进出能够吸收太阳热辐射的光照区和处于深冷空间的阴影区。因此,航天器接收到的热流强度也会发生周期性的变化,这就会在航天器柔性结构中产生瞬态温度场。瞬态温度场不仅会使柔性结构发生较大变形,当其变化剧烈时,还可能会使柔性结构产生热致振动。热致振动同时会诱发航天器主体产生姿态扰动,从而使航天器无法完成既定任务。因此,对航天器结构热致振动的研究是十分有必要的。本文以受到太阳热冲击作用的薄壁圆管结构为研究对象,基于Hamilton原理和热力学定律建立热弹性-结构耦合方程。采用四阶Runge-Kutta法对薄壁圆管结构的热弹性-结构耦合动力学响应进行了数值分析。结果表明考虑应变率时其位移动态响应始终小于不考虑应变率时其位移动态响应。同时可知存在一定的光照角度,使得考虑应变率时其热致振动是稳定的;而不考虑应变率时其热致振动是不稳定的。在考虑应变率的基础上建立航天器结构的刚-柔耦合系统动力学模型,基于Lagrange原理和热力学定律建立考虑航天器结构刚-柔耦合的热弹性-结构耦合方程。并通过分离变量法和加权余量法求解出航天器柔性结构的位移动态响应。通过数值计算对航天器的姿态扰动以及柔性结构的位移动态响应进行了分析。研究表明当阻尼比一定时,随着太阳光照角度的增大,航天器主体的起始动态位移响应幅值逐渐变小,其平衡位置偏离初始位置的角度越来越小;柔性结构的起始动态位移响应幅值逐渐变小,其平衡位置偏离初始位置的距离越来越小。无论其结构是否稳定,考虑航天器结构刚-柔耦合时柔性结构顶端位移动态响应幅值始终大于不考虑航天器结构刚-柔耦合时其顶端位移动态响应幅值,且随着时间的增加,其幅值相差越来越大。通过Routh-Hurwitz判据进行稳定性分析,证明了考虑航天器结构的刚-柔耦合的必要性。
【图文】：

好的认识地球，认识宇宙，各式各样的航天器应运而生查等航天任务，航天器开始广泛的应用大型柔性结构。、大型太阳能阵列和星载可展开天线等。为了使航天器天器保持最好的工作状态，这些柔性结构就要求尽可能[1]。在服役过程中会周期性进出能够吸收太阳热辐射的光照，如图 1-1 所示。因此，，航天器接收到的热流强度也会发在航天器柔性结构中产生瞬态温度场。瞬态温度场不仅会当其变化剧烈时，还可能会引发热振动，这就是柔性结流冲击会使柔性结构发生变形，这一变形包括弹性变形响航天器柔性结构对空间热流的吸收，也就会使航天器。这种变形与温度场之间相互影响的现象称为热弹性-结

及航天器结构刚-柔耦合的影响，建立更加符合工程实际的航天器结构热弹性-结构耦合动力学分析模型，通过理论分析和数值方法研究航天器柔性结构在服役过程中由于温度梯度效应导致的热致振动现象。希望通过本论文的研究能够为航天器柔性结构设计提供必要依据，提高航天器的使用寿命。(a) 哈勃太空望远镜 (b) 北斗卫星
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V414

【参考文献】

相关期刊论文 前7条

1 苏新明;王晶;张军徽;向志海;;空间桁架热致振动效应仿真研究[J];航天器工程;2015年05期

2 李丽君;袁军;;含热诱发扰动的挠性卫星L_1自适应控制[J];宇航学报;2015年01期

3 刘劲;朱敏波;曹罡;;星载可展开天线热振动数值分析[J];中国空间科学技术;2011年02期

4 董彦芝;刘們;王国栋;王耀兵;马海全;;航天器结构用材料应用现状与未来需求[J];航天器环境工程;2010年01期

5 黄彦文,薛明德,程乐锦,张逸凡;含开口薄壁杆的大型空间结构热诱发弯扭振动[J];清华大学学报(自然科学版);2005年02期

6 张淑芬,张彦斌,王彦生;机械系统运动稳定性分析的Routh-Hurwitz法[J];河南科技大学学报(自然科学版);2004年02期

7 姚海民,薛明德,丁勇;大型空间结构热诱发振动的有限元分析[J];清华大学学报(自然科学版);2002年11期

相关博士学位论文 前2条

1 沈振兴;基于绝对坐标的大型空间多体结构热致振动研究[D];北京理工大学;2014年

2 杨玉龙;空间展开桁架结构设计理论与热控制研究[D];浙江大学;2007年

相关硕士学位论文 前4条

1 程顺;航天器—轴向可伸展梁刚—柔耦合系统动力学分析[D];燕山大学;2017年

2 李阳;交变温度下航天热管的热振动分析[D];沈阳航空航天大学;2017年

3 何鹏;星载天线反射器在轨热振动分析及控制[D];大连理工大学;2016年

4 张茂新;环状可展天线的热致振动分析[D];北京理工大学;2015年

本文编号：2599526