卫星主承力板点阵式结构设计与力学分析

为了达成卫星主承力板在轻量化及刚度性能上的设计要求,并有效降低板载单机的动力学响应,将点阵结构引入卫星承力板的设计当中。首先,介绍了点阵结构的胞元构成,并得出采用点阵结构填充的卫星主承力板,在保持相同外观尺寸的前提下,相较于传统蜂窝夹芯结构板,质量减轻了35%左右,满足了卫星轻量化设计的需求。随后,建立了单个胞元的相对密度、平压刚度、平压强度和剪切刚度的理论数学模型,并通过仿真分析验证了模型的准确性。解释了动力学分析的基本原理和优化方法,并基于模态分析结果,对所设计的主承力结构板进行简谐振动和随机振动响应分析。结果表明:主承力板的结构刚度分布均匀,对激励具有良好的响应,各项动力学性能指标满足要求。

重复折叠后SMPC可展桁架阵面天线模态试验与分析

形状记忆复合材料(shape memory polymer composite, SMPC)是一种在航天领域具有广阔应用前景的智能材料。以重复折叠展开形状记忆历程后的五节SMPC可展桁架阵面天线为对象,进行自由状态下模态试验,通过模态参数识别得到自振频率和振型,研究了预应力索和阵面板对桁架模态的影响。结果表明,预应力索可提高桁架的整体刚度,并且提高了沿纵向的抗剪能力,而阵面板可提高桁架的扭转刚度。建立了考虑空气对阵面影响的声固耦合(acoustic structure interaction, ASI)有限元模型,进行五节SMPC可展桁架阵面天线模态分析,其结果与模态试验吻合,表明仿真分析方法准确。

薄膜结构空气与低真空环境下模态辨识仿真及试验

薄膜结构在航天工程中有广泛的应用,但其在真空环境与空气环境下的模态特性有较大差异。由于试验设备及仿真模态识别方法的限制,现有文献中同时包含薄膜结构在真空环境与空气环境下的模态测试仿真及试验较少,并且对于仿真与试验方法一致性的对比研究也较少。因此,介绍了所制备的低真空试验装置,随后通过仿真算例对比了仿真中通常采用的Lancoz法与试验中通常采用的随机子空间法(Stochastic Subspace Identification,SSI)识别到的薄膜前4阶模态,结果显示,两种方法具有良好的一致性。将仿真算例结果与试验结果进行对比,低真空环境下仿真与试验有良好的对应关系,但空气环境下识别到的频率有差异,且会随着膜的厚度增加而逐渐降低。通过仿真分析讨论了观测点数目及激振器振幅对模态识别结果的影响。

织物复合材料空间可展桁架模态试验与分析

航天器正朝着大型化、轻量化和模块化的方向发展。由织物复合材料制成的空间可展桁架结构,作为航天器的组成结构有广泛的应用前景。以一个由织物复合材料制成的空间可展桁架结构为研究对象,开展了微重力环境下的模态试验和仿真分析。结构主要由空心圆管、三角形隔板和斜加劲索组成。模态试验采用气动-电磁悬挂系统实现结构重力卸载,模拟微重力环境。仿真分析中,空心圆管由织物复合材料构成,假设为正交各向异性材料结构;三角形隔板由铺层复合材料构成,假设为各向同性材料结构;考虑斜加劲索的预应力对结构刚度及斜加劲索自身有效弹性模量的影响。最终得到的仿真结果与试验对应关系良好,对大型预应力空间可展桁架研究具有参考价值。

大尺度空间薄膜地面振动试验网格膜等效理论分析与数值模拟

针对薄膜结构对空气阻力效应敏感、难以进行全尺寸地面动力学验证试验的问题,提出采用网格膜作为矩形膜面的等效结构进行地面动力学验证试验。建立了矩形膜面与网格膜的动力学等效准则,对网格膜的预应力场及结构参数进行了限定。算例数值模拟表明,在该等效准则的约束下,网格膜与矩形膜面具有基本一致的动力学特性。同时,声固耦合仿真验证了网格膜对空气阻力效应不敏感。

盘绕式伸展臂非线性振动力学分析

盘绕式伸展臂非线性振动特性决定加劲索的预应力取值及航天器的振动控制,采用几何精确理论与屈曲分析理论推导出静力条件下加劲索预应力取值范围,在此范围对盘绕臂的非线性振动进行计算。针对小幅非线性振动,考虑加劲索预应力的加载作用引发P-Δ效应的影响,采用特征值迭代法求解不同预应力下模态及频率,得到使盘绕臂自振频率最大的预应力值,总结出设计用的加劲索"频率-预应力-直径"参考面。针对大幅非线性振动,采用动力时程信号处理法,基于显式动力学积分获取盘绕臂大幅振动时程信号,结合快速傅氏变换(FFT)和随机子空间(SSI/data)两种方法,基于MATLAB平台编制时程信号处理程序,用于提取大幅振动的频率及模态。在动力时程信号中发现加劲索在大幅振动中的高频交替张弛使盘绕臂能量分布迅速达到动态平衡,从而使盘绕臂振幅迅速衰减。最后制作盘绕臂模型进行模态试验,测试的结果与计算结果基本吻合。

大型CFRP薄壁管桁架加劲环稳定性研究

为了深入研究某半硬式平流层飞艇的关键结构部件CFRP薄壁管桁架加劲环的稳定性能,首先对初始构型和不同张拉位移下的构型进行特征值屈曲分析,然后考虑初始预应力和初始几何缺陷,对预张拉工况进行全过程非线性稳定分析,并利用温度荷载对不同张拉位移下的构型进行稳定分析,最后通过大量计算进行初始几何缺陷分析。研究表明:结构首先发生局部屈曲;结构对于初始几何缺陷十分敏感,考虑整体1阶模态的初始缺陷后结构的临界屈曲荷载减小42.91%;结构临界屈曲荷载因子随初始预应力和张拉位移的增大呈线性减小,张拉位移增大时上下径向拉索最大应力之比与其高度之比呈现同样的变化趋势;结构屈曲时径向拉索内力的分布与几何缺陷形式紧密相关,多模态组合缺陷更能反应结构真实几何缺陷。本文对CFRP薄壁管加劲环及同类轮辐式张拉结构的设计、装配、集成等具有重要的参考价值。