基于mscparan软件的铝蜂窝星载天线结构的力学分析

基于mscparan软件的铝蜂窝星载天线结构的力学分析

0冲击载荷作用下的响应分析为了评估天线结构是否能够承受设计中要求的重量，使用naset软件对天线结构进行了压力损失分析。经过计算,给出了天线结构的各种材料在各种载荷下的最大应力值,并将其与各材料的强度指标值进行比较,以判断其强度是否满足要求。1芯层外覆多层碳纤维单向层压板的结构天线结构如图1所示:它的最大特点是反射面采用了铝蜂窝芯层外覆多层碳纤维单向层压板的复合材料结构,反射面的内缘固接在钛合金圆环支座的上边缘上,沿支座周向有均布的四块复合材料加强筋板。整个结构刚性好,重量轻,强度高。2铝蜂天线结构的力学分析计算模型在计算模型的建立过程中,为了简化模型,忽略了馈源等零部件,只考虑了支座、反射面和加强筋。在支座和反射面的交界处和加强筋上离散了较细致的网格,力求准确计算出支座和反射面连接部位的应力和加强筋上的应力。经过适当的简化,用MSC.PATRAN软件建立了铝蜂窝天线结构的力学分析计算模型(见图2)。该模型共有2544个结点,2484个单元。模型中所有物理量的单位均为国际单位制(kg、m、s)。2.1反射面材料及密度支座为钛合金,其材料常数为:E=0.113E12,NU=0.3,G=0.435E11,RHO=4500。外表和加强筋为碳纤维复合材料单向层压板制成,单向层压板的材料常数为:E1=0.121E12,E2=0.79E10,NU12=0.33,G23=0.351E10,G12=G13=0.37E10,RHO=1600。反射面芯层为铝蜂窝材料,其材料常数为:E1=0.397E7,G13=0.43E9,G23=0.25E9,RHO=50。反射面由9层材料构成,铝蜂窝芯层厚度为0.010,其余各层厚度为0.125E-3。一、三象限铺层方向(0°为X轴正向)0°,90°,90°,0°,45°,0°,90°,90°,0°;二、四象限铺层方向(0°为X轴正向)0°,90°,90°,0°,135°,0°,90°,90°,0°。2.2late单元模拟支座用StandardLaminatePlate(CQUAD4)单元来模拟。反射面和加强筋用StandardLaminatePlate(CQUAD4/PCOMP)来模拟。2.3限制在支座下法兰上有32个均布结点全约束。2.4载荷该结构作用有两种载荷,分别是基础侧向加速度冲击载荷和基础轴向加速度冲击载荷。3刚性单元的建立用大质量法计算基础受冲击加速度载荷作用时,天线结构的响应,需要对计算模型做进一步的完善。在支座下底面中心处建立一个结点,在该结点上建立一个质量元CMASS1,该质量元的质量大小为300000㎏,作用方向与加速度载荷的方向相同。以支座下底面中心处的结点为独立结点,以支座下法兰上的32个约束结点为从属结点,建立一个RBE2刚性单元。刚性单元上的各结点除加速度载荷方向的自由度之外,其余各自由度全约束。在质量元上通过FIELD在加速度载荷方向施加幅值为50g×300000=1.47E8N,持续时间为10ms的半正弦波集中力载荷。以上的处理,相当于在天线的基础上沿加速度载荷方向施加了幅值为50g持续时间为10ms的半正弦波冲击加速度载荷(见图3所示)。取整体结构阻尼系数G为0.06,并把它转化为频率50Hz的等效粘性阻尼,则转换因子W3为314。对模型做持续时间为40ms的瞬态响应计算,并对计算结果进行分析,找出天线结构应力状态最为不利的时刻,以此时的应力来判断天线结构的强度能否满足要求。4计算用MSC.NASTRAN软件对所建模型进行了分析计算,用MSC.PATRAN软件对计算结果作了后处理。4.1试验结果基础点变形幅值为50g,持续时间为10ms的半正弦波冲击加速度载荷沿X坐标轴方向作用在天线基础上。基础点和天线-X轴边缘点的Z向位移时间历程曲线如图4所示。经分析,在8.300ms时,天线结构的应力状态最为不利,此时的变形如图5所示。在X轴最远点处有最大位移,Z向最大位移为TZ=±2.68E-3,X向最大位移为TX=9.39E-3。基础点的Z向位移为0,X向位移为1.04E-2。钛合金支座在X轴向与反射面连接处有最大VONMISES应力,其值为SEQV=5.48E7<630E6(强度值)。碳纤维材料在+X±45°方向筋板斜边中部有最大纵向拉应力SX=8.66E7<1186E6(强度值);在-X±45°方向筋板斜边中部有最大纵向压应力SX=8.66E7<928E6(强度值);在+X±45°方向筋板斜边上尖角处有最大横向拉应力SY=2.83E7>21E6(强度值);在-X±45°方向筋板斜边上尖角处有最大横向压应力SY=2.83E7<109.2E6(强度值);在筋板斜边中部有最大剪应力SXY=1.15E7<46.5E6(强度值)。铝蜂窝材料在±15°方向连接处,有最大法向拉压应力SZ=1.89<4.77E6(强度值);在±45°方向距中心0.1034处,有最大纵向剪应力SXZ=2.63E5<3.51E6(强度值)和最大横向剪应力SYZ=2.49E5<2.22E6(强度值)。4.2基础点应力分析幅值为50g,持续时间为10ms的半正弦波冲击加速度载荷沿Z坐标轴方向作用在天线基础上。基础点和天线+X轴边缘点的X向位移时间历程曲线如图6所示。经分析,在4.100ms时,天线结构的应力状态最为不利,此时在X轴最远点处的Z向最大位移为TZ=1.245E-3。在Y轴最远点处的Z向最大位移为TZ=1.232E-3。基础点的X、Y向位移为0,Z向位移为TZ=1.67E-3。钛合金支座在筋板两侧连接处有最大VONMISES应力,其值为SEQV=2.51E7<630E6(强度值)。碳纤维材料在上表面±X轴方向连接处有最大纵向拉应力SX=1.22E7<1186E6(强度值);在筋板斜边中部有最大纵向压应力SX=5.3E7<928E6(强度值);在±45°方向连接处有最大横向拉应力SY=2.54E6<21E6(强度值);在筋板水平边中部有最大横向压应力SY=1.83E7<109.2E6(强度值);在筋板斜边中部有最大剪应力SXY=6.42E6<46.5E6(强度值)。铝蜂窝材料在±16.875°方向距中心0.0885处,有最大法向拉压应力SZ=1.35<4.77E6(强度值);在±45°方向距中心0.1034处,有最大纵向剪应力SXZ=1.57E5<3.51E6(强度值)和最大横向剪应力SYZ=1.60E5<2.22E6(强度值)。5强度值的要求从计算结果来看,当载荷作用在X方向时,碳纤维材料在+X±45°方向,筋板斜边上尖角处有最大横向拉应力SY=2.83E7>21E6(