ANSYS在卫星设计中的应用.doc

ANSYS在卫星设计中的应用1 星/箭耦合特性计算分析星/箭耦合特性是卫星总体结构设计时最为关心的一个问题。进行星/箭联合试验和整星力学环境试验，主要也是为了测试其耦合特性。过去运载进行耦合分析时建立的计算模型，将整星等效成具有等效质量和等效刚度的多刚性体，将对接环等效成一个点，卫星与运载点连接。这一模型与实际结构相差甚远，计算分析的结果只是表示卫星的整体特性，并不分析局部力学参数，而且误差较大。但研制设计局部结构时，局部力学特性是最重要的输入参数。ANSYS 可以对卫星和运载进行精确的耦合特性计算分析，星、箭、对接环的模型可精确地构造出来，不需要作大的简化等效，从而能够准确分析卫星的局部模态和局部载荷参数。ANSYS 软件的子结构分析功能，可以将运载作为一个主结构，卫星的主要分系统结构分别作为子结构，对各个子结构计算分析之后，再将各部分组合在一起计算分析，给出整星的模态和强度，以及运载与卫星（船）对接环界面的载荷参数、卫星平台与分系统连接界面的载荷参数、卫星主要局部结构模态和强度等。ANSYS 的子模型分析功能，可以先建立卫星的粗网格有限元模型，计算分析卫星模态和强度，使得对整星结构有一个全面的了解，同时也降低计算量。再将比较重要部位的有限元模型取出来，进一步细化网格，进行计算分析，精确给出局部结构的强度。2 卫星的结构计算和优化设计在卫星方案研制阶段，要对不同方案进行分析对比，选择确定最优的设计方案，很多时候不同的方案只是在于结构尺寸和材料的变动。在卫星结构设计过程中，不可避免地要根据各方面的要求不断修改尺寸和材料，优化卫星结构，而如何修改和修改的效果如何，都要进行计算仿真。目前的计算分析，对于每次结构尺寸的改动，都要重新建立卫星的有限元模型，而卫星分析的绝大部分工作量就在于模型的建立过程。因此，对卫星方案和卫星结构的优化计算，工作量大，周期长。图5-1 卫星机构柔体运动学分析及强度和振动特性计算图5-1 采用ANSYS 和刚体运动学分析软件ADAMS 分析了卫星太阳翼、重力梯度杆的机构展开过程，太阳翼及重力梯度杆作柔体计算，卫星作刚体计算；同时采用ANSYS 分析了整星模态特性和局部结构模态特性，以及太阳帆板与星上压紧点的强度，计算中考虑了铰接点处的摩擦阻尼和接触非线性问题。ANSYS 的结构优化分析功能，采用参数建模的方式，可以使卫星方案和卫星结构的优化计算分析既简便，又快捷。ANSYS 专门提供了参数化设计工具，可以方便地建立整星的参数化模型，同时所有的分析结果也可以方便地表示成参数；输入参数如卫星的结构尺寸、材料性质等均可作为设计变量，给定其变化范围，在优化过程中即可自动搜索其最佳值；所有的计算结果或计算结果的组合均可作为状态变量，用户可为每一个状态变量指定判断准则（如应力允许的最大值、固有频率应避开某一值等），以此表达设计可行性的工程准则；任何可表示成ANSYS参数或ANSYS 参数表达式的项（如卫星的总重量）均可作为目标函数，它是极小化的目标函数，是优化的对象。ANSYS 的优化设计过程是一个允许人工干预的自动过程，通过优化子程序选择设计变量值分析所得到的设计对照状态变量的迭代过程，努力使目标函数值最小。3 卫星飞船撞击计算分析返回式卫星和飞船，最后都要返回地面，返回舱与地面相撞。在外层空间运行过程中，获得的资料和飞船上的宇航员都在返回舱中，返回舱的撞击响应最终决定着宇航员的生还和资料的成功回收。因此，准确分析卫星、飞船的撞击特性、为返回舱结构设计提供可靠的依据，就显得极为重要。图5-2 火星探测器在火星着陆分析 图5-3 飞机事故模拟火星探测者号在火星上成功地投放一探测器，从而实现了人类探测火星的梦想。探测器的落地过程在ANSYS/LS-DYNA 中进行了全过程的模拟，包括保护气囊的打开及多次跌落、弹起的过程，图5-2 为落地瞬间的应力分布。ANSYS 的显式瞬态动力冲击模块ANSYS/LS-DYNA 是分析撞击问题最权威的软件，可以建立准确的地面撞击模型和卫星飞船模型。计算过程中的智能网格重划分功能，能够更精确地计算给出返回舱的着陆速度、撞击变形、以及舱内人员和资料的损伤程度。ANSYS/LS-DYNA 进行的飞机鸟撞计算、航空炸弹穿透混凝土机场跑道的弹道轨迹分析、以及船舶意外撞击桥体的事故后果分析等，其结果都与相应的试验结果相吻合。卫星在宇宙中可能会遇到宇宙垃圾的碰撞。图5-4 模拟了碎片对卫星等飞行器的冲击，碎片的速度一般为每秒几公里，图中碎片的最高速度达10 公里/秒。图5-4 爆炸碎片对卫星的冲击模拟4 结构的热变形计算分析卫星飞船和空间站在外层空间运行时，外部环境温度变化幅度大，必然引起结构的热变形。尤其是天线，完全暴露在外层空间中，面积较大，热变形会更严重，这必然降低天线的指向精度，引起指向偏转，严重影响卫星飞船和空间站的性能。由于涉及热结构的耦合问题，计算难度大，因此过去几乎完全通过试验来了解天线结构的热变形，再进一步确定结构的可行性。这样费用高、周期长。ANSYS 权威的耦合分析功能，能够非常简便地计算分析结构的热变形和热应力，热分析和结构分析利用同一个有限元模型，计算方法有顺序耦合方法和直接耦合方法。对于天线的热结构相互作用，在非线性程度不高的情况下，允许采用计算量较小的顺序耦合方法。ANSYS 的多物理环境工具在温度场计算完成后，可将温度结果作为体载荷自动施加到天线的静力分析中，从而在同一模型上方便地完成热结构耦合分析。当天线的热结构相互作用非线性程度较高时，顺序耦合法就不能满足计算要求，必须采用直接耦合方法。ANSYS 通过包含多物理场自由度的耦合单元，进行直接耦合分析，就可求解出热结构相互耦合作用下天线的热变形和热应力。5 卫星热计算分析卫星上各个部位有不同的温度要求，大部分星上仪器设备要求处于一定的温度范围之内，而且有些设备要求温度的波动幅度很小，因此必须对卫星进行温度控制。而计算分析卫星的温度场，就可以为热控方案的优化提供可靠的理论依据。由于卫星内外热交换关系较复杂，以往要得到整个卫星温度场的数值解很困难。随着软件技术和有限元技术的发展，ANSYS 现在可以成功地计算分析卫星在各种工况下设备上的温度场分布。ANSYS 热分析包括热传导、热对流和热辐射三种热传递方式。此外，还可以分析材料相变、有内热源和接触热阻等问题。热分析的类型包括稳态和瞬态，ANSYS 权威的耦合分析功能在热分析方面可以进行热结构耦合、热流体耦合、热电耦合、热磁耦合及热电磁结构耦合等。ANSYS 首先通过热电磁耦合分析，确定卫星内包括电磁发热的所有主要热源，然后考虑设备之间的热传导和热辐射以及卫星与外层空间之间的辐射，计算分析设备的温度场。ANSYS 利用材料相变分析功能和热流体耦合分析功能，可以计算模拟卫星上各种流体循环换热装置，并对换热装置进行优化设计。6 卫星电磁兼容性计算分析卫星是电子设备高度密集的集合体，而且内部空间狭小，设备之间的连接电缆纵横交错，不可避免地要产生各种耦合干扰。随着航天技术的高速发展，卫星上将有更先进更复杂的电子电气设备，更高速的电路和宽频带的带宽，工作频率点就会更密集，这会使电磁干扰更加严重。另外，卫星的外部电磁环境也很复杂，一是卫星在地面测试和发射时受地面设备和运载工具的电磁干扰。二是卫星在外层空间运行时受外层空间粒子的电磁辐射干扰。三是静电积累。因此电磁兼容性分析越来越重要和必不可少，是卫星方案可行性论证阶段就要开展的研究工作。具有多物理场耦合分析功能的ANSYS 软件，可以分析卫星设备电磁场的多方面问题。如电感、电容、阻抗、磁通量密度、磁场强度、磁通泄露、涡流、电场分布、磁力线、品质因素、特征频率、磁力和力矩、