卫星结构设计与分析(上)

卫星结构设计与分析马佳2019.01.0201概论02技术基础05卫星结构分析04卫星结构材料目录Contents03卫星结构设计06卫星结构设计验证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卫星结构和机构概论结构功能承受载荷安装设备提供构型机构功能紧固连接释放解锁部件分离展开位置形状指向目标结构机构功能卫星结构和机构概论结构机构设计特点和原则设计特点尽量减小质量利用有限容积突出刚度设计适应空间环境保证高度可靠满足一次使用设计原则重视设计综合性和迭代性继承现有技术基础保持最简设计方案强调设计风险意识充分考虑工艺条件认真考虑经济性做到设计“三化”三化：通用化、系列化、组合化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①方案设计②初步设计和分析③方案验证④方案评审方案阶段①初样设计分析②产品实现过程③制定验收规范④制定试验规范⑤鉴定试验⑥初样阶段评审初样阶段①正样设计和正样分析②产品实现和验证③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础技术基础结构动力学响应分析参数识别载荷识别技术基础单自由度系统00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。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。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。结构离散化选择位移函数分析单元力学特性计算等效节点建立整体平衡方程应用条件求解方程计算单元应力应变有限元分析过程技术基础结构有限元法结构力学元件杆系结构板式结构壳体结构结构有限单元杆单元梁单元板单元壳单元技术基础结构优化方法优化设计数学规范法线性规划动态规划非线性规划几何规划解析法准则法结构优化设计的数学命题包括三个部分：●设计变量●约束条件●目标函数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卫星结构设计卫星结构工作环境•地面制造•发射阶段•在轨运行阶段•返回阶段卫星寿命•地面环境•发射环境•轨道环境•再入环境对应环境卫星结构设计卫星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卫星结构设计卫星结构的设计要求基本要求•保证结构件和整星的强度和刚度强制要求•运载火箭•卫星系统•任务环境导出要求•结构变形•机械接口•可操作性•展开附件的刚度•支承结构的稳定性•次级结构寿命•机构的润滑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。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金属材料结构的安全裕度复合材料结构的安全裕度按材料屈服强度计算0按首层破坏方式计算强度0.25按材料极限强度计算0.15稳定性0.30按构件稳定性计算0.254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，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1234铝合金镁合金钛合金铍卫星结构材料金属材料复合材料界面增强纤维基体复合材料的加工工艺●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。①结构理想化的实施②结构传力路径分析③有限元单元类型和网格划分④单元特性的定义结构分析模型的建立123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①质量特性检验②自由模态检验③刚度检查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●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卫星结构分析结构静力分析（解析法）杆系结构•桁架结构—研究杆件的伸长或缩短•钢架结构—研究杆件的剪切、弯曲等•混合干系—分为桁架结构和钢架结构研究板式结构•对传力路线和载荷而进行分析壳体结构•做为主承力结构，承受轴压、剪力和弯矩以及内压载荷•分为薄壁加筋和蜂窝夹层应力分析稳定性分析分析结构的传力路径和承载特性，判断应力集中部位。充分关注压应力和剪应力，受边界条件影响大。卫星结构分析结构静力分析（有限元法）04030201卫星结构方案选择的重要手段卫星结构设计验证方法之一分配星仔设备支架刚度和星载设备固有频率预计星载设备环境趋势05用于结构故障诊断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。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卫星结构分析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卫星结构分析结构热变形和热应力分析分析的理论基础•热应力和热变形分析以温度场分布作为载荷输入条件，将热变形问题和一般的结构静力学统一考虑有限元分析方法•热变形和热应力的有限元分析实质上是结构静力有限元分析的延伸，但需要引入温度载荷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●有效性确认试验前言。包括目的、范围和定义设计要求的简要说明，