某航天器在动量轮激励下的微振动分析研究

发布时间：2020-08-12 18:08

【摘要】：随着科学技术的发展,计算机技术的进步,世界各国在航天器发射领域不断前进,试验和仿真的能力有了很大的提高,全球航天器发射达到了一个较高的水平。但航天器领域仍然存在着许多尚未解决的难题,新问题源源不断地出现。当今世界各国航天在高精度航天器领域争相发展,这种航天器对成像环境有很严格的要求,在设计时有一定困难,在整体尺寸较大的同时,又保持了对振动和环境变化的敏感性。为此,在研制高精度航天器的过程中,有必要探究如何对微振动进行模拟分析、其振动特性是什么、如何对微振动进行有效控制。本文主要研究工作和结论如下:(1)使用HyperMesh软件建立较为准确的航天器结构有限元模型。使用有限元分析软件MSC.Nastran为求解器,对整体结构和部分结构分别进行了模态分析。通过模态分析了解航天器整体动力学特性:由于太阳翼处于展开状态,整体结构存在许多低阶模态;而功能舱、主镜组件及次镜组件基频较高。(2)对载荷来源进行相关理论推导,并给出该动量轮具体的不平衡力(矩)载荷。依据载荷的正弦特性,对结构进行频率响应分析,得到结构在整个分析频率段内的振动响应特性:结构在垂直于主光轴方向的振动较大,而主光轴方向的振动响应较小。(3)结合采样定理、随机信号的功率谱密度定义及快速傅里叶变换(FFT),通过MATLAB编程,将由轴承润滑、摩擦以及其它扰动源引入的宽带随机噪声,和不平衡力(矩)载荷一同转化为供加载的时域信号。(4)使用MSC.Nastran中的模态叠加法瞬态响应分析对结构进行微振动分析,输出主镜和次镜的位移响应曲线,通过后处理得到主镜和次镜中心点的变形曲线、运动轨迹和相对位移。从中得到结论:主镜和次镜的弹性形变远小于其刚体位移,在模拟计算时,可以近似将主镜和次镜认为是刚体,主要关心刚体位移对成像的影响,以减少计算量。(5)通过给出镜和次镜上主要节点的位移响应曲线,验证航天器结构的临界阻尼比对微振动位移响应峰-峰值有较明显的影响;而作为激励源的动量轮,其安装刚度对微振动幅值影响很小,不能将增大其刚度作为减小微振动幅值的方法。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V414
【图文】：

输入格式,正交各向异性材料,板壳单元

合金铝 2.7 0.37 71图 2.1 MSC.Nastran 各向同性材料输入格式蜂窝夹层板是航天器中使用广泛的承载结构[63]，来源于仿生学，模仿蜂巢的形状和结构。特点是可以使用较少的质量，保留大部分强度特性。一般蜂窝板表面使用铝蒙皮，内部为蜂窝芯子。蜂窝芯子的力学特性复杂，在有限元分析中常常等效为各向异性材料，参数见表 2.3。在 MCS.Nastran 中，使用 MAT8 卡片对板壳单元正交各向异性材料进行定义，卡片格式如图 2.2 所示。其中，MAT8为卡片名，MID 为卡片编号，E1 代表 X 方向弹性模量，E2 代表 Y 方向弹性模量，NU12 代表 XY 平面泊松比，G12、G1Z、G2Z 分别代表 XY 平面、YZ 平面和 XZ 平面的剪切模量，RHO 代表密度，其余参数在本文中未使用。

截面形状,平面剪切,模量,梁单元

XY 平面剪切模量 G12（MPa） 0.14XZ 平面剪切模量 G1Z（MPa） 235.0YZ 平面剪切模量 G2Z（MPa） 156.0单元属性的定义中要根据结构的几何尺寸定义其属性，三维实体单元已经对几何尺需要根据材料在 MSC.Nastran 中定义 PSOLID 单元并选择对应的等效为一维梁单元的，除了材料还需要给出截面尺寸；等效为二，要给出结构厚度。中航天器的螺栓、主框架、太阳翼边框等使用梁单元进行等效，截和矩形，可以直接使用 HyperBeam 定义规则形状的截面尺寸，只并输入相关参数即可。梁截面形状如图 2.3 所示。

示意图,螺钉,等效模型,螺栓

图 2.5 复合铺层板壳属性输入格式.5 各分系统有限元模型为了简化计算，功能舱只保留传递振动的主框架结构和蜂窝板，以及响主镜和次镜组件，卫星平台只保留主要的主框架、太阳翼、蜂窝板以及结构，其余电子元器件只考虑其质量特性。（1）螺栓、螺钉和铆钉有限元模型本文中使用的装配结构能够传递轴力、剪力和弯矩。且自身也会发生单元可以用来模拟这种力学性质，因此螺栓、螺钉、铆钉用梁单元来截面为圆形，直径为相应结构的公称直径。图 2.6 为模拟直径 M5 的螺元示意图，其中 M5 表示公称直径为 5mm，L 为螺栓、螺钉或者铆钉在型的长度（根据被连接件有限元模型的位置确定）。

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