卫星结构设计与分析(上).ppt

1、a,1,卫星结构设计与分析,马 佳 2019.01.02,a,2,01 概论,02 技术基础,05 卫星结构 分析,04 卫星结构 材料,目录 Contents,03 卫星结构 设计,06 卫星结构 设计验证,a,3,1,卫星结构和机构概论,卫星结构和机构的功能 卫星结构机构设计特点 卫星结构机构分类 卫星结构机构研制程序,a,4,卫星结构和机构概论,结构机构功能,a,5,卫星结构和机构概论,结构机构设计特点和原则,三化：通用化、系列化、组合化,a,6,卫星结构和机构概论,卫星结构和机构的分类,结构 按照载荷分类 主结构和次结构 按照结构分类 承力结构、密封结构和防热结构 按照部件形状分类 杆

2、系结构、板式结构、壳体结构 机构 压紧释放机构 展开机构 驱动机构 连接分离机构,a,7,研制程序,分析任务需求，提出初步方案设想，针对方案中的难点突出攻关项目,可行性论 证阶段,方案设计 初步设计和分析 方案验证 方案评审,方案阶段,初样设计分析 产品实现过程 制定验收规范 制定试验规范 鉴定试验 初样阶段评审,初样阶段,正样设计和正样分析 产品实现和验证 出厂评审,正样阶段,卫星结构和机构概论,卫星结构和机构的研制程序,a,8,2,技术基础,概述 结构动力学 复合材料学 结构有限元法 结构优化方法 计算机辅助设计方法,a,9,结构动力学,复合材料,有限元法,结构优化,技术基础,概述,技术基

3、础,a,10,技术基础,结构动力学,响应分析,参数识别,载荷识别,a,11,技术基础,单自由度系统,0,0,a,12,技术基础,复合材料力学,复合材料力学是研究复合材料本身力学性质的学科，包括对材料刚度、强度等基本力学性能的分析。目前在卫星结构中应用的复合材料一般为纤维复合材料，它具有严重各向异性。,单向材料,层合材料,复合材料的铺层方式有4个要素：层数，各层纤维角，各层厚度和各层排列顺序。,a,13,技术基础,复合材料力学,为了满足复合材料刚度的要求，则不希望在复合材料的结构设计中出现拉弯耦合或拉剪耦合效应，因此复合材料的铺设采用对称方式设计。 纤维复合材料的强度，包括各跟纤维或纤维束的强度

4、和同一根纤维沿纤维方向的强度分布，基体和纤维因裂纹和缺陷所带来的影响等，具有随机性质，因此采用统计力学的方法可能会得到更好的结果。 纤维多相对为脆性（承力），基体相对为韧性（保护、传递）。 层合复合材料的强度分析一般采用首层破坏强度作为材料的破坏强度。,a,14,技术基础,结构有限元法,卫星的结构分析目前主要采用有限元法，尤其是主要结构部件和整个卫星的结构分析。 有限元的基本思路是：将连续体（场）离散为有限数目互相连接的单元体（场），并使单元体的特性集合能够反映将连续体（场）的整体特性。,有限元分析过程,a,15,技术基础,结构有限元法,a,16,技术基础,结构优化方法,结构优化设计的数学命题

5、包括三个部分： 设计变量 约束条件 目标函数,a,17,技术基础,计算机辅助设计方法,卫星计算机辅助,结构件的计算机辅助造型,零件造型,装配,装配品质检查,二维工程设计,CAD质量分析,模型和图形交换,机构的计算机辅助,机构分析几何建模,机构的运动性,运动仿真,结果处理,结构有限元分析,零件分析,装配结构的建模和运算,计算和后处理,制造一体化,CAM模型准备,模型转换,数控编程,快速样件制造,a,18,3,卫星结构设计,概述 卫星结构的工作环境 卫星结构的载荷分析 卫星结构的设计要求 卫星结构的方案设计 卫星结构的详细设计,a,19,卫星结构设计,卫星结构工作环境,a,20,卫星结构设计,卫星

6、结构工作环境,地面环境： 地面自然环境 制造 操作 储存 运输 地面试验,发射环境： 起飞和地面噪声 最大气动载荷 稳态飞行 级间分离 整流罩分离 星箭分离,轨道环境： 真空 热辐射 带电粒子辐射 紫外辐射 原子核分子离子 微流星和空间碎片,再入环境： 再入气动力和气动热 返回冲击,a,21,卫星结构设计,卫星结构的载荷分析,载荷源： 稳态载荷源 热载荷源 动力激励源,载荷分类： 静载荷 热载荷 动载荷,卫星结构的载荷： 主结构载荷设计 卫星的主结构收到的载荷在发射或返回阶段最为严重，需考虑相应的环境进行主结构设计 星载设备设计 低频瞬态载荷和随机振动进行合理的组合,a,22,卫星结构设计,卫

7、星结构的设计要求,基本要求是机构结构设计中必须始终遵循的要求； 强制要求是由卫星系统以及其他系统所需的设计要求； 导出要求是卫星各分系统提出的约束条件。,a,23,确定方案设计设计条件和基本构型 构型设计 主结构方案设计要求的确定 次级结构方案设计要求的确定,选择结构形式和材料 结构形式的选择 结构材料的选择 结构连接方法的选择,形成初步方案 对结构进行初步设计和分析，确定结构整体布局,设计方案的比较和筛选 比较的参数 比较的方法,卫星结构设计,卫星结构的方案设计,a,24,结构设计的详细步骤,确定结构连接的设计参数,确定各结构部件的设计参数,结构轮廓尺寸和舱段尺寸的确定,设计接口界面,进行故

8、障模式影响分析,设计迭代和优化,绘制工程图样,提供相关的文件,卫星结构设计,卫星结构的详细设计,a,25,卫星结构设计,卫星结构的详细设计,复合材料的设计根据层状复合材料的性能保证材料的正确使用 强度验证 设计载荷的确定考虑卫星在制造和工作的所有载荷工况 安全系数和验证系数 安全裕度评价结构的强度是否满足要求,故障模式影响分析（FMEA） 产品定义 故障模式 故障影响 提高设计可靠性的措施,a,26,4,卫星结构材料,概述 金属材料 复合材料 结构材料的选择 结构材料的应用和发展,a,27,机械性能要求,低密度要求,高弹性模量，高强度，良好的韧性,材料可进行一次和二次加工，可适应结构材料的要求

9、，并可进行检验。,材料的总质量损失不大于1%，收集挥发性冷凝物不大于0.1%。,较小的线膨胀系数，较高的比热容，良好的额热导率,减小卫星结构质量,卫星结构材料,概述,机械性能要求,材料真空出气要求,制造工艺要求,材料的工作环境,a,28,低密度，良好的导电导热性，成本低廉，良好的机加工性能,比强度和比模量较高，良好的导电导热性，可承受较大冲击载荷，良好的机加工性能,比强度高，抗腐蚀性能好，良好的抗疲劳性能以及高温性能,高比模量以及较高的屈服强度，高温机械性能好，比热容大,金属材料,铝合金,镁合金,钛合金,铍,卫星结构材料,金属材料,a,29,复合材料,界面,增强纤维,基体,复合材料的加工工艺,

10、手糊成型法 真空袋烘箱成型法 真空袋热压罐成型法 模压成型法 缠绕成型法 软膜成型法 树脂传递模塑,卫星结构材料,复合材料,a,30,卫星结构材料,结构材料的选择,材料选择的原则： 低密度 高强度/刚度 满足要求的物理性能 满足制造工艺的材料 材料成本 材料状态 供货条件 加工条件,复合材料的优点： 低密度 高材料模量 很高的材料强度 材料的可设计性 材料的热稳定性 材料的制造性能 其他优良性能,a,31,卫星结构材料,结构材料的应用和发展,金属间化合物（形状记忆合金） 具有优良的抗磨性和耐蚀性 良好的制造性能 高的阻尼特性,新型复合材料 凯夫拉/环氧树脂复合材料 新型热塑性树脂 金属基复合材

11、料,金属基复合材料的优点： 可提高材料的使用温度 复合材料的横向、剪切强度较树脂基复合材料有较大提高 空间环境对金属基复合材料的影响较小 真空出气率低 可作为密封结构,a,32,5,卫星结构分析,概述 结构分析模型的建立 结构静力分析 结构模态分析 结构动态响应分析 结构热变形及热应力分析,a,33,中心任务,分析方法,对结构的力学特性进行定量评价。,结构的分析方法分为解析解法和数值解法。,卫星结构分析,概述,结构的详细分析可以检验结构设计是否满足要求，并可指导试验，并对试验进行预计。,a,34,结构理想化的实施 结构传力路径分析 有限元单元类型和网格划分 单元特性的定义,结构分析模型的建立,

12、结构的理想化,建模需要考虑的问题,分析模型的 检验,卫星结构分析,结构分析模型的建立,通过对构件受力和传力中所起的作用、几何尺寸以及构件的材料做出假设，使结构简化,质量特性检验 自由模态检验 刚度检查,a,35,研究范围 结构静力分析，主要研究卫星结构在静载或准静载条件下的力学行为，解决结构的静强度、刚度和稳定性问题。,研究目的 通过获得结构在设计载荷（静载或准静载）作用下的响应特性来指导和验证结构构型设计和参数设计，验证结构的强度和稳定性，进而减小结构质量。,载荷条件： 运载火箭部门提出的准静载条件 运输过程的准静态载荷 结构板的法向准静态载荷以及舱体内外压力载荷 变轨机动载荷以及在轨热载荷

13、 对返回式卫星，发射在载入过程存在热载荷等,分析方法 应用解析法 有限元方法,卫星结构分析,结构静力分析,a,36,卫星结构分析,结构静力分析（解析法）,a,37,卫星结构分析,结构静力分析（有限元法）,a,38,卫星结构分析,结构模态分析,卫星研制初期，除了满足功能质量等要求外，还需满足卫星模态要求。,结构模态分析在卫星研制的各个阶段都是设计验证的重要方法。,利用整星模态分析，可以合理的分配星载设备安装刚度和星载设备固有频率。,通过模态分析可以定性预计星载设备环境趋势。,利用结构故障前后的模型对比，找出卫星结构故障。,a,39,结构频率响应分析,卫星结构在基础正弦激励条件下的响应分析，把不同

14、正弦频率激励下所得到的响应分析结果绘成曲线，就可以得到频率响应曲线。,随机振动不能用确定的函数来描述，但并不是毫无规律，它具有统计学意义上的规律。随机振动可分为平稳随机振动和非平稳随机振动。,噪声响应分析需要进行噪声试验，噪声试验的核心内容是考核卫星承受噪声环境的能力并得到若干测点的加速度响应。 目前除试验手段外，尚无令人满意的理论分析方法，基本上采用有限元分析和统计能量分析两种方法。,由于结构瞬态响应和冲击响应对卫星的影响不是很严重，因此在进行结构响应分析时可部分忽略。,卫星结构分析,结构动态响应分析,结构随机振动响应分析,结构噪声响应分析,结构瞬态响应和冲击响应分析,a,40,卫星结构分析

15、,结构热效应,热引起的结构运动,热变形,热弹性冲击,热振动,热颤振,热辗轧,热变形：由温度缓慢变化及其分布的不均匀性导致的结构产生的准静态变形 热弹性冲击：由温度突变导致卫星上柔性结构产生的瞬态飞振荡运动 热振动：由准静态变形和周期振荡运动叠加而成 热颤振：是结构的热致非稳态振动响应 热辗轧：伸展机构元件间的热黏附滑移运动可能导致结构的非线性运动,a,41,卫星结构分析,结构热变形和热应力分析,a,42,6,卫星结构设计的验证,概述 结构设计验证的方法 结构设计的验证计划 结构静强度的验证 结构动力特性的验证,a,43,分析验证,检验验证,类比验证,试验验证,卫星结构设计的验证,结构设计的验证

16、方法,采用分析的方法对结构需要满足的某些要求进行验证。,对产品图样的技术条件进行的验证。,与分析相结合来证明一个结构与另一个结构相似，而后者已经按等效的或更严格的准则进行了鉴定。,研制试验 鉴定试验 验收试验 有效性确认试验,a,44,前言。包括目的、范围和定义,设计要求的简要说明，包括基本要求和导出要求,验证方法。包括验证矩阵、验证方法描述，以及用验证流程来确定输入、输出和每隔主要工作内容的进度,验证准则,卫星结构设计的验证,结构设计的验证方法,环境条件的简要说明,参考资料和引用文件,a,45,卫星结构设计的验证,结构静强度的验证,方案设计阶段 主要以静力分析和局部结构的研究性试验为主,初样研制阶段 主要以结构静力分析（强度校核）和主承力结构的鉴定试验为主,正样研制阶段 主要以结构静力分析为主,为选择设计方案、确定主承力结构的材料、截面尺寸等提供依据,避免因某些结构部件可能失效而影响整个结构试验的进行