地球低轨道卫星天线在轨热致振动分析

由于地球的频繁遮挡,当地球卫星在低轨道运行时,卫星的可展开天线会处在高低温交替的环境中,从而形成剧烈变化的温度场。剧烈的温度梯度变化会导致柔性较大的可展开天线发生热致振动,降低卫星全极化探测头部等关键部件的寿命。首先建立某型号卫星的物理模型,然后利用有限元法对其进行在轨时的空间瞬态热分析,得到可展开天线的温度场,将温度作为约束映射到结构仿真中,再在结构有限元模型上分析卫星的热变形,实现卫星天线热致振动的预测并为天线结构优化设计提供数据支持。对卫星模型进行热分析可以监测各时期的温度场以及预测有可能发生的热致振动,从而在不断优化设计的基础上避免这种不利的扰动。     

空间热载荷作用下星载天线耦合动态影响分析

为了研究空间热载荷对星载天线刚柔耦合多体系统的扰动,根据抛物反射面几何特征,采用壳体单元有限元离散化法,并考虑壳体厚度方向上的温度变化,建立了有限元列式的热传导方程;引入与应变能有关的耦合项,利用拉格朗日法推导了星载天线系统的大范围刚柔耦合动力学方程,研究了温度载荷对星载天线多体系统的动力学特性影响。仿真结果表明:空间热效应引起了动态的温度载荷,与结构变形发生耦合,诱发耦合颤振,加剧柔性反射面的弹性振动,造成卫星姿态和天线指向的扰动,严重影响了星载天线的指向精度。结论对星载天线指向精度的分析与控制具有重要的理论价值及工程实际意义。     

计入热梯度的圆环结构热致振动分析

大型空间可展开结构通常是由梁、环等组成的周期性连续体结构,当进出地球阴影时受到热冲击而导致热致结构振动。针对支撑天线反射面的环形桁架结构,基于等效的空间圆环力学模型研究热致振动问题。建立热-结构耦合作用模型,采用加权余量法获得近似解。通过Routh-Hurwitz判据,获得太阳辐射引起的热致振动稳定域。采用Fourier温度单元与结构有限元结合的方法对圆环的热冲击响应进行了数值仿真和验证。     

多体动力学热-结构耦合圆管单元及其应用

航天器柔性附件在突加太阳辐射热载荷作用下的热诱发振动会严重影响航天器的正常工作。航天器是典型的多体系统;部件间的相互作用会严重影响航天器的热诱发振动响应,因而有必要使用多体系统动力学的方法对此进行研究。该文在柔性多体系统动力学框架内,推导建立了一种考虑辐射换热的热-结构耦合圆管单元。温度变化会使圆管单元产生轴向伸缩和横向弯曲;同时,在给定辐射热流作用下,圆管单元受热条件与其姿态和变形相关。使用该圆管单元、刚体单元和柔性体单元可以实现多体系统动力学热-结构耦合分析。该文的方法首先用于哈勃太空望远镜太阳能电池板简化模型的热诱发振动分析,所得结果与文献结果吻合良好。然后,该文研究了由本体、动量轮、柔性支撑杆和端部质量组成的航天器在突加辐射热流作用下的振动响应。结果表明:各部件间的相互作用会对航天器的热诱发振动响应产生显著影响。     

垂直热发射过程弹架耦合作用研究

研究裸弹垂直热发射过程系统的动态响应及其对导弹运动的影响。对车载导弹发射系统进行了简化和等效建模,进行了导弹起飞过程的理论分析,基于动力学和有限元软件建立了系统刚柔耦合多体动力学模型,对发射过程展开了动力学仿真与分析,并进行了多刚体与刚柔耦合两类模型计算结果对比。数值模拟结果表明,导弹起飞过程与发射车的耦合作用明显,系统振动对导弹起飞姿态产生影响,发射车振动衰减特性良好,柔性发射台模型能够较好反映发射过程系统动态响应以及弹架耦合特性。     

地球同步轨道卫星对地点波束天线在轨热分析

卫星在轨运行期间,卫星天线部件的温度会随着不断变化的外热流和辐射交换而变化。对温度变化敏感的部件如天线反射器在这种情况下易发生热致振动现象,从而影响其正常功能。对在轨运行的卫星天线所进行的热分析为卫星天线的热控设计和热致振动的预测提供了温度数据。首先建立某型号卫星天线系统的物理模型,然后利用UG-TMG软件对其进行在轨运行空间瞬态热分析,最后分析天线反射器的温度结果,为以后的热致振动研究提供参考和数据支持。     

空间站柔性太阳翼热诱发振动分析

柔性太阳翼随空间站在轨运行时会受到周期性的热载荷作用,为研究热载荷对柔性太阳翼的影响,采用热-结构非耦合分析方法对柔性太阳翼进行了热诱发振动分析。提出了等效位移法,按照节点位移等效原则计算柔性太阳翼有限元模型各节点的等效温度载荷,再以该载荷为激励计算柔性太阳翼的动态响应。通过自编的Python程序实现等效温度载荷计算过程中的数据处理,以及热诱发振动分析流程中的有限元前后处理。通过与理论解和数值解作对比,验证了基于等效位移法求解等效温度载荷并用于非耦合热诱发振动分析的方法的准确性。通过对柔性太阳翼的热诱发振动分析,得到了柔性太阳翼的动态响应数据,发现了柔性太阳翼出地球阴影区时的刚柔耦合情况。分析结果可以为柔性太阳翼的设计和改进以及在轨的安全性、可靠性的评估提供参考。     

随机参数梁在考虑热弹耦合下的动力响应分析

以随机参数梁为研究对象,分析其在温度载荷和力载荷共同作用并考虑热弹耦合关系时的动力响应。建立了热弹耦合动力学有限元模型,给出了在时间域内差分离散、相互交替迭代的耦合计算方法。利用随机因子法推导了结构温度场和动力响应的数字特征表达式,其中温度场的求解利用θ 时间积分法,动力响应则利用Newmark-β 积分法。在求出结构各时间步温度场和动力响应数字特征的基础上,应用耦合算法获得了整个时间域内的结构响应数字特征。通过悬臂梁算例分析了热弹耦合项对动力响应的影响,并考察了诸随机参数分散性对结构动力响应分散性的影响。     

低轨道下运行的卫星-太阳帆板系统的刚-柔-热耦合动力学建模

传统地考虑热效应的卫星-太阳帆板动力学模型只考虑太阳直接辐射热流的影响,仅适用于高轨道运行的航天器。以低轨道下运行的卫星-太阳帆板系统为研究对象,提出了一种通用的分析其在宇宙空间各种热流作用下刚-柔-热耦合动力学特性的建模方法。考虑太阳帆板热变形、卫星的姿态运动和太阳帆板受到的各种辐射的热流密度之间的耦合关系,分别给出了太阳直接辐射热流、地球红外辐射热流以及地球反照辐射热流的计算公式。将系统视为中心刚体-悬臂梁模型,首先建立了悬臂梁的热传导方程,然后通过引入考虑热应变的应力-应变关系,用虚功原理建立了卫星-太阳帆板多体系统的考虑热效应的动力学方程,对热传导方程和动力学方程联立求解。对低轨道下运行的卫星-太阳帆板系统进行了数值仿真分析,分析了考虑地球红外辐射和地球反照辐射热流对热振动的影响,以及考虑刚-柔-热耦合效应对系统动力学特性的影响,并给出了系统热振动稳定时特征参数的范围。     

热弹耦合梁结构动力响应的区间数值分析

研究了含有区间参数梁结构在温度载荷和力载荷共同作用下的动力响应问题,考虑材料变形与传热的相互影响,建立了梁在热弹耦合下的动力学有限元模型,并给出了对结构瞬态热传导方程与动力学方程进行相互交替迭代求解的计算方法。针对结构响应不确定性问题,以不确定参数作为约束变量,通过寻求结构响应函数的区间范围,将区间问题转化为优化问题,并利用遗传算法给出了结构响应函数的区间界限。通过算例及与概率有限元方法的计算结果比较,表明文中所提出方法的可行性和有效性,并获得在热弹耦合作用下梁结构的固有振动频率有所增加,而振动响应振幅则逐渐减弱的结论。该方法只需已知不确定参数所在范围的界限,而无需其他统计信息,为解决区间参数热弹耦合梁问题提供了一种途径。     

风与地震载荷作用下集装箱小车低架桥结构耦合振动分析

外部环境激励下的车桥耦合振动严重影响着自动化码头集装箱小车-低架桥结构的安全和使用效率。针对该问题, 基于一元多维平稳随机过程数值模拟法实现轨道不平顺、风速场的时程模拟, 利用双协调自由界面模态综合法求解了车桥结构在轨道不平顺、轮对蛇行运动以及风、地震载荷激励下的耦合振动时域响应, 分析了风、地震载荷等对车桥耦合振动响应的影响, 并设计结构模型试验验证自激激励仿真结果。结果表明:1) 自由界面模态综合求解车桥耦合振动响应的仿真方法合理;2) 车桥竖向振动主要由小车移动加载引起, 自激激励是主因;风、地震载荷会大大增强横向振动, 车桥耦合振动响应随着小车速度、脉动风平均风速的增大而增大, 且对地震载荷的敏感程度大于工作状态风载荷;3) 小车复线运行时车桥耦合振动响应最大值大于小车单线运行时, 铅芯橡胶支座可有效减小车桥加速度响应。     

航天器刚柔耦合动力学建模及热诱发动力学响应分析

针对带大型太阳能帆板的航天器,使用蜂窝板对太阳能帆板进行建模,利用哈密顿原理建立了航天器刚柔耦合动力学方程,分析了刚柔耦合非线性项及系统参数对航天器固有特性和热诱发动力学响应的影响。结果表明,系统频率随中心刚体转动惯量减小而升高,存在特定的蜂窝芯层与蜂窝板厚度比值,使系统频率最高;系统刚柔耦合非线性项不影响热诱发动力学响应中的准静态位移分量,但会使热诱发振动分量的振幅增大,振动频率发生偏移;当系统热特征时间常数的倒数和系统基频接近时,热诱发振动幅值最大。研究结果对航天器参数设计提供了理论指导。     

热声载荷作用下金属薄壁结构的振动响应与试验验证EI北大核心CSCD

针对航空航天薄壁结构在热声载荷作用下的非线性振动响应问题,基于声振耦合理论,采用耦合的有限元/边界元法对四边固支高温合金矩形薄壁结构进行了动力学响应计算。重点研究了薄壁结构在行波加载与扩散场加载条件下的振动应力/应变响应规律,讨论了温升对结构振动响应的影响规律,分析了薄壁结构热屈曲(Thermal-buckling)和跳变(Snap-through)响应特性。通过将薄壁结构在不同温度条件下的振动模态以及动态应变响应的仿真结果与热环境下的声激振试验结果进行对比,表明计算的基频量值及随温度的变化关系与试验结果获得较好的一致性,计算的应变响应与试验测试结果量值相当,验证了热声响应计算方法与模型的有效性。该研究提出的金属薄壁结构在热声载荷作用下的非线性振动响应计算方法及分析结论对进一步开展热声疲劳寿命预测及动强度设计提供依据。     

重力对大型环形可展天线展开动力学的影响研究

受限于火箭尺寸,大型星载环形天线在发射时收拢,入轨后在零重力环境下展至工作态。然而在地面实验重力环境下,克服重力的悬吊卸载系统并不能完全抵消重力场的全部影响,导致地面实验难以准确预测在轨展开动力学行为。因此,有必要借助仿真深入对比分析地面上重力加卸载展开与太空中无重力展开的动力学异同。该文基于柔性多体动力学的仿真方法,建立了天线在零重力和重力加卸载系统两种工况下的全尺寸展开动力学模型。仿真结果不但复现了地面实验的非同步展开现象,而且系统地给出了天线在整个展开历程中所有杆件载荷和驱动力的变化规律。并进一步基于能量分析,半解析地研究了重力对驱动力的影响。该文的研究不但有助于理解大型网状天线的展开动力学,为天线的机构设计、优化和地面实验设计提供技术支撑,而且提出的建模方法和得到的认识也可用于研究和理解其他大型网状天线。     

大口径网面空间可展开天线结构撞击动力响应研究

在轨运行的大口径空间可展开天线可能会遭遇空间碎片的高速撞击,这严重威胁了星载天线的安全服役。为研究空间网面可展天线支承结构及抛物面索网在高速撞击时的动力响应,选用ANSYS/AUTODYN有限元软件,建立大口径空间网面可展开天线动力学撞击仿真模型,模拟天线展开锁定时遭遇2.5 mm～7.5 mm的空间碎片撞击的全过程动力响应。考虑1.0 km/s～15.0 km/s的撞击速度和不同撞击位置工况下,天线结构的整体动力响应、关键杆件及抛物面索网损伤状态以及结构整体变形性能。结果表明：空间可展天线结构受微小空间碎片撞击的结构响应过程可分为局部振动、拉索约束以及整体振动三个阶段,撞击点越靠近天线形心,结构响应越明显,结构的平均变形越大;随着撞击速度增大,可展天线的结构平均变形表现为先增加后减小趋势,当撞击速度大于12.5 km/s时,天线受撞击的影响区域逐渐缩小;空间可展天线受微小空间碎片高速撞击时整体形面变形不可忽视,可为后续天线结构防护及易损性分析提供参考。     

基于BP神经网络的星箭界面动载荷识别

提出一种基于BP神经网络的星箭界面动载荷识别新方法。建立卫星结构的高保真动力学模型,利用仿真分析/地面试验获取的卫星结构加速度响应与星箭界面加速度激励的样本库;基于BP神经网络训练卫星结构加速度与星箭界面加速度激励的传递关系,利用实测卫星结构加速度响应识别星箭界面加速度激励;将星箭界面加速度激励施加与卫星结构的高保真动力学模型获取星箭界面动载荷。开展了数值仿真和振动试验,验证了所提出方法的有效性,为服役状态下卫星结构的振动载荷环境预示提供有力支撑。     

高速列车明线交会流致振动耦合响应分析

为探究高速列车在流致振动作用下会车压力波对车内气压的影响机理,针对某线路试验高速动车组采用多重等效方法建立有限元车厢、流场以及耦合系统模型,并进行耦合系统模态分析;通过列车交会侧传感器实测会车压力波信号,对车厢耦合系统进行气压冲击加载,分析车内流致振动耦合响应情况;将线路实测车内气压数据运用经验模态分解方法自适应分解,获取各本征模态层,并与流致振动响应数据进行对比分析。结果表明,车体振动位移的频率分布与加载的会车压力波频率相吻合;车内气压级在6.1 Hz、14.67 Hz处较大,分别与耦合系统的第一阶非刚性模态频率与结构的第一阶模态频率相吻合;同时验证会车压力波在车厢流致振动耦合模型下对车内气压影响机理分析的正确性。     

基于传递函数的星箭耦合载荷分析

分别对运载火箭和卫星进行频率响应分析。在取得离散形式的频率响应分析结果基础上,采用有理多项式拟合技术,将火箭和卫星的频率响应函数转化成以部分分式表示的传递函数。根据星-箭对接的力学条件,可以在Simulink平台上建立起星箭耦合载荷系统模型。对此模型进行仿真便可得到在外力作用下星箭耦合载荷系统的瞬态动力响应。分别以简单的质量-弹簧模型、以及星箭耦合载荷模型验证了方法的正确性。基于传递函数的星箭耦合载荷分析方法,将柔性结构的动力学计算纳入到系统仿真的框架之中,为进一步实现结构-气动和伺服控制系统的耦合分析奠定了基础。该方法也为将火箭和卫星实测的频响特性直接应用于星箭耦合载荷分析创造了条件。     

基于频域子结构法的动量轮弹性边界微振动研究

动量轮会与卫星弹性安装界面发生结构耦合,并将导致动量轮微振动的定量分析更为复杂。基于频域子结构方法对动量轮与弹性边界耦合系统的微振动特性进行研究。对频域子结构法进行了推导,引入界面坐标转换矩阵表达不同坐标系下子结构的综合;将动量轮模型简化成12自由度质量-弹簧-阻尼系统,并采用Lagrange能量方法建立其运动方程;将耦合系统划分成动量轮与弹性边界两个子结构,应用推导所得的频域子结构法综合子结构的频响函数得到耦合系统的频响函数矩阵并计算其响应;运用数值仿真和多体动力学仿真进行了验证。结果表明:频域子结构法适用于预测动量轮在弹性边界的微振动响应,具有较高的分析精度和计算效率。     

双节悬臂管流固耦合系统基座振动研究

基于柔性多体动力学与流固耦合动力学理论,利用悬臂输液管Lagrange方程建立双节悬臂管流固耦合系统基座振动力学模型,进行节臂姿态、平均流速及节臂长度参数对流固耦合系统振动影响分析。结果表明,节臂姿态及长度参数变化对系统振动响应影响显著;平均流速增加使流体流动产生的激励作用增大、振动响应均值提高,对水平姿态具有较高的稳定工作流速;节臂长度参数对臂间弯矩影响显著,以臂间弯矩为控制力设计振动控制系统时应进行节臂长度优化;设计、构建输流管振动试验系统,并通过试验验证理论模型的正确性。所建动力学模型可为节臂主动控制提供理论基础。