星载大口径天线刚柔热耦合动力学分析方法的研究

发布时间：2020-05-22 06:24

【摘要】：随着信息化和网络化得飞速发展,航天器上广泛采用的星载大口径天线起到了关键的作用,航天器经历阴影区到日照区受到其柔性附件大口径天线受到来自太阳辐射的强力热流,造成柔性天线阵面的热变形,引发卫星本体、天线阵面与热载荷之间的耦合问题。基于小变形假设的传统多柔体动力学系统分析方法不能够准确描述大范围大柔度动力学模型,具有描述大柔性大变形先天优势的绝对节点坐标法(Absolute Nodal Coordinate Formulation,ANCF)被广泛应用在多柔体系统动力学系统,本文采用ANCF位移场插值原理对温度场进行相同格式的插值,实现温度场与位移场统一形函数,构造出集成温度描述的薄板单元。基于该单元建立星载大口径天线阵面与卫星本体组装得到卫星整体模型,分析其受热来自太阳辐射热流时的引发热动力学耦合行为,这一刚柔热耦合行为包含了近似刚体卫星转动、大口径柔性天线阵面的热变形和来自太阳辐射热流密度、空间背景环境的热辐射散热以及天线阵面形变导致的内热源等诸耦合因素。基于由虚功原理得到的单元动力学方程,推导出单元质量阵、广义外力、广义弹性力以及弹性力对节点坐标的雅克比矩阵、单元广义阻尼力以及阻尼力对节点坐标的雅克比矩阵。以单元质量阵求解为例给出单元体积积分方法,并考虑薄板单元动力学系统的线性与非线性约束的处理。基于热力学第一定律,给出薄板单元的热传导方程,施加热边界条件,对热传导方程有限元离散,推导单元热容阵、导热阵、热辐射阵、来自太阳辐射的热流密度向量相关表达式并验证。基于虚功原理,列写出虚功率微元时间内虚功与广义阻尼力在虚位移下虚功等价方程,推导出材料内部阻尼导致的单元内热源功率,同时推导出温度变化引起的单元热应变对应的广义热应力。编写出基于广义-α法薄板单元刚柔热耦合动力学求解器,验证单元热膨胀、阻尼、总能量守恒以及机械能与内能的转化关系。基于集成温度描述的ANCF薄板单元,建立星载大口径天线的阵面模型,结合参考节点描述的近似刚体的卫星本体,组装得到卫星—天线整体模型。对天线阵面去除初始构型下弹性力、阻尼力以及热应力,引入自然坐标系描述的参考节点,对参考节点梯度模长以及梯度方向施加约束,保证参考节点内部应变始终为零。对于卫星本体与天线阵面分别施加动力学载荷和热力学载荷,构造出完整的星载大口径天线刚柔热耦合动力学模型,并分析其动力学行为。
【图文】：

图 1-1 自旋卫星章动示意图场超音速飞行中的面板进行了一个可变厚度的三维矩形板单余热量产生的假设热效应，此锁定现象。杨癸庚[44]等人利用度进行了求解，并且对加以温]对哈勃空间望远镜日夜轨道转结构响应进行计算，，部署在太杨玉龙[46]对一台展开桁架抛物动力学载荷急剧变化的初始接除热致振动，引起的天线形面限元法对铰接肋天线采取半正学的方法求解天线的热振动和中心刚体的耦合分析提出一种应有限元分析方法，并对比耦[49]

模型 ANSYS 在 30s 时刻温度云图
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V443.4;TN820

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本文编号：2675575