大尺度充气式桁架太阳能阵列设计及动力学分析
发布时间:2021-12-22 23:51
提出充气式桁架展开大尺度太阳能阵列结构设计方法,具有热固化复合材料充气铰实现高效折叠收拢,以及展开后提高结构刚度的特性。研制了原理样机,并进行了地面展开试验,验证了充气展开及其充气式桁架的性能。可展开桁架结构设计特色是将可折叠充气支撑管与刚性碳纤维杆相结合使用,减少热功耗并提高结构刚度。考虑可展开桁架的腹管设计以及材料固化前后对大尺度结构动态特性的影响,对太阳能阵列的半结构进行有限元建模,并采用BlockLanczos法求解结构的模态,计算分析了不同激励位置时结构阻尼对结构的振动响应。结果表明,所设计的充气式桁架展开大尺度太阳能阵列采用热固化方法,能实现大尺度结构从柔性大转动展开向高刚度结构特性的改变;且对低频结构具有振动抑制效果,其振动响应能受到激励幅值和载荷的影响,并显著改变结构的动力学性能。
【文章来源】:机械工程学报. 2020,56(05)北大核心EICSCD
【文章页数】:7 页
【部分图文】:
太阳能阵列的相邻基板结构组成
大尺度充气桁架式太阳能阵列的展开是整个结构设计的核心,如果这个柔性折叠桁架不能展开基板,或不能展开为三维空间桁架,那么在轨任务是不能实现的。本文将阵列以卫星本体为中心设计为两组,两侧对称向外同步展开,每组基板的短边与两个充气铰,长边上由两铰链连接。首先对基板两侧热固化充气铰进行加热,加热到第一个Tg,然后启动减压阀通过7.2 MPa气瓶分别同时向充气铰内充气,该段充气铰内压力增强,体积膨胀产生的力矩,促使第一折开始剥离管壁粘扣,逐渐有序展开(图2a~2d)。第一折完全展开后,超过临界压力,第二个充气铰开始充气、压力增加体积膨胀,依次展开后续基板(图2e、2f),然后两侧基板都展开到位(图2g),最后用另一高压气瓶对桁架充气,充气式支撑主管,以及充气式斜腹管和横管带动碳纤维杆逐步展开,形成三维稳定的空间结构(图2h)。当展开完毕后,采用电加热与光照结合策略加热至第二个Tg温度,实现结构的长久支撑。因为图2展开设计方案是变质量的运动展开,即收拢部分被充气展开减少一块基板,所以收拢部分展开到位的瞬间将对整个卫星本体产生一个扰动的冲击力矩。由于冲击力矩与时间和展开角速度有关,本文假设每个展开单元(每块基板(8.1 kg)和每个展开桁架单元(约1.4 kg))是均质的,即质量m=9.5kg,宽度l=2.35 m。据试验观察,假设展开到位瞬时冲击作用时间?t=0.8 s,卫星本体简化为一个质点,依据质点系的动量矩定理,计算三种不同展开角速度时的冲击力矩Md
图3为基板展开过程中冲击力矩变化,结果表三种情况下均为第16块基板展开时整个结构产生最大冲击力矩。当展开角速度为0.02 rad/s时,最大冲击力矩为338.5604 N?m;角速度为0.04 rad/s时最大冲击力矩为677.1208 N?m,角速度为0.06 rad/s时最大冲击力矩为1015.681 N?m。为了说明充气展开方案可行性,试制了10块厚度10 mm薄板,每块板的面积58 cm×30 cm,基板的上下两侧通过直径60 mm的充气管(替代材料),该管外壁有两个平行间断分布的粘扣进行展开力和次序的控制。基板的背面设计有充气式桁架,10块板完全展开后,对充气式桁架进行充气,形成三维结构,提高结构的面外弯曲刚度和扭转刚度。试验展开组图如图4所示。
【参考文献】:
期刊论文
[1]织物复合材料空间可展桁架模态试验与分析[J]. 张祎贝,高冀峰,陈务军,张大旭,房光强,曹争利,彭福军. 振动与冲击. 2018(17)
[2]等腰三角形空间桁架自由扭转理论分析和试验研究[J]. 李天,晁进涛,樊嘉. 工程力学. 2018(05)
[3]空间太阳能电站太阳能接收器二维展开过程的保结构分析[J]. 王新栋,胡伟鹏,邓子辰. 动力学与控制学报. 2015(06)
[4]考虑接头作用的全复合材料桁架结构多尺度分析[J]. 熊波,罗锡林,谭惠丰. 工程力学. 2015(08)
[5]卫星太阳阵展开锁紧过程冲击振动[J]. 游斌弟,王兴贵,陈军. 机械工程学报. 2012(21)
[6]空间折叠薄膜管的充气展开动力学实验研究[J]. 卫剑征,谭惠丰,苗常青,赫晓东. 力学学报. 2011(01)
[7]空间充气展开结构用刚化材料和刚化技术的研究现状[J]. 刘宇艳,孟秋影,谭惠丰,杜星文. 材料工程. 2008(02)
[8]充气太阳能帆板展开动力学数值模拟预报[J]. 卫剑征,苗常青,杜星文. 宇航学报. 2007(02)
本文编号:3547350
【文章来源】:机械工程学报. 2020,56(05)北大核心EICSCD
【文章页数】:7 页
【部分图文】:
太阳能阵列的相邻基板结构组成
大尺度充气桁架式太阳能阵列的展开是整个结构设计的核心,如果这个柔性折叠桁架不能展开基板,或不能展开为三维空间桁架,那么在轨任务是不能实现的。本文将阵列以卫星本体为中心设计为两组,两侧对称向外同步展开,每组基板的短边与两个充气铰,长边上由两铰链连接。首先对基板两侧热固化充气铰进行加热,加热到第一个Tg,然后启动减压阀通过7.2 MPa气瓶分别同时向充气铰内充气,该段充气铰内压力增强,体积膨胀产生的力矩,促使第一折开始剥离管壁粘扣,逐渐有序展开(图2a~2d)。第一折完全展开后,超过临界压力,第二个充气铰开始充气、压力增加体积膨胀,依次展开后续基板(图2e、2f),然后两侧基板都展开到位(图2g),最后用另一高压气瓶对桁架充气,充气式支撑主管,以及充气式斜腹管和横管带动碳纤维杆逐步展开,形成三维稳定的空间结构(图2h)。当展开完毕后,采用电加热与光照结合策略加热至第二个Tg温度,实现结构的长久支撑。因为图2展开设计方案是变质量的运动展开,即收拢部分被充气展开减少一块基板,所以收拢部分展开到位的瞬间将对整个卫星本体产生一个扰动的冲击力矩。由于冲击力矩与时间和展开角速度有关,本文假设每个展开单元(每块基板(8.1 kg)和每个展开桁架单元(约1.4 kg))是均质的,即质量m=9.5kg,宽度l=2.35 m。据试验观察,假设展开到位瞬时冲击作用时间?t=0.8 s,卫星本体简化为一个质点,依据质点系的动量矩定理,计算三种不同展开角速度时的冲击力矩Md
图3为基板展开过程中冲击力矩变化,结果表三种情况下均为第16块基板展开时整个结构产生最大冲击力矩。当展开角速度为0.02 rad/s时,最大冲击力矩为338.5604 N?m;角速度为0.04 rad/s时最大冲击力矩为677.1208 N?m,角速度为0.06 rad/s时最大冲击力矩为1015.681 N?m。为了说明充气展开方案可行性,试制了10块厚度10 mm薄板,每块板的面积58 cm×30 cm,基板的上下两侧通过直径60 mm的充气管(替代材料),该管外壁有两个平行间断分布的粘扣进行展开力和次序的控制。基板的背面设计有充气式桁架,10块板完全展开后,对充气式桁架进行充气,形成三维结构,提高结构的面外弯曲刚度和扭转刚度。试验展开组图如图4所示。
【参考文献】:
期刊论文
[1]织物复合材料空间可展桁架模态试验与分析[J]. 张祎贝,高冀峰,陈务军,张大旭,房光强,曹争利,彭福军. 振动与冲击. 2018(17)
[2]等腰三角形空间桁架自由扭转理论分析和试验研究[J]. 李天,晁进涛,樊嘉. 工程力学. 2018(05)
[3]空间太阳能电站太阳能接收器二维展开过程的保结构分析[J]. 王新栋,胡伟鹏,邓子辰. 动力学与控制学报. 2015(06)
[4]考虑接头作用的全复合材料桁架结构多尺度分析[J]. 熊波,罗锡林,谭惠丰. 工程力学. 2015(08)
[5]卫星太阳阵展开锁紧过程冲击振动[J]. 游斌弟,王兴贵,陈军. 机械工程学报. 2012(21)
[6]空间折叠薄膜管的充气展开动力学实验研究[J]. 卫剑征,谭惠丰,苗常青,赫晓东. 力学学报. 2011(01)
[7]空间充气展开结构用刚化材料和刚化技术的研究现状[J]. 刘宇艳,孟秋影,谭惠丰,杜星文. 材料工程. 2008(02)
[8]充气太阳能帆板展开动力学数值模拟预报[J]. 卫剑征,苗常青,杜星文. 宇航学报. 2007(02)
本文编号:3547350
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