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卫星桁架结构跨尺度热—力耦合优化设计与分析

马健1 张宏宇1 闫亮1 冉治国2   

  1. (1北京空间飞行器总体设计部,北京100094) (2北京机械设备研究所,北京100854)
  • 收稿日期:2014-12-12 修回日期:2015-05-20 出版日期:2015-08-25 发布日期:2015-08-25
  • 作者简介:马健 1985年生,2013年获北京航空航天大学飞行器设计专业博士学位,工程师。研究方向为卫星总体设计。
  • 基金资助:

    国家重大科技专项工程资助项目

Thermal-mechanicalOptimizingAnalysisonMulti-scaleNumericalModelforCompositeStructureofSatellite

MAJian1 ZHANGHongyu1 YANLiang1 RANZhiguo2   

  1. (1BeijingInstituteofSpacecraftSystemEngineering,Beijing100094)
    (2BeijingInstituteofMechanicalEquipment,Beijing100854)
  • Received:2014-12-12 Revised:2015-05-20 Online:2015-08-25 Published:2015-08-25

摘要: 卫星飞行过程中,高精度测量设备的复合材料支撑结构经历多种温度环境,影响结构的热稳定性。为对其热学性能进行研究,综合考虑热—力耦合优化设计,首先,发展了复合材料热膨胀系数跨尺度数值模型。在微观模型中,通过建立代表性体积单元(RepresentativeVolumeElement, RVE)模型,由纤维热膨胀系数计算得到单向复合材料热膨胀系数;建立复合材料构件宏观模型,采用微观模型计算得到的热膨胀系数对宏观模型进行分析与计算。为验证复合材料热膨胀系数跨尺度数值模型的正确性,对复合材料管件的热膨胀性能进行了试验测试,测试结果与数值计算结果具有很好的一致性。其次,对卫星桁架杆件进行热稳定性优化设计与分析,综合考虑管件的热膨胀系数与刚度的约束条件,采用具有二阶收敛特性的共轭梯度法对复合材料构件的铺层进行优化设计,发展了复合材料桁架结构热—力耦合优化设计流程。最后,针对某卫星天线桁架支撑结构进行了定热膨胀系数设计与分析,结果表明采用跨尺度热—力耦合优化设计方法得到的热变形量远小于天线支撑结构给定的指标。该方法可用于卫星复合材料桁架结构热稳定性设计与分析。

关键词: 桁架结构, 跨尺度, 优化设计, 热稳定性, 代表性体积单元, 热膨胀系数, 卫星

Abstract: Whenspacecraftworks,itwillsufferdifferenttemperatureenvironments,whiletemperaturedifferencewillalwaysintroducechangesofshapeandsizeofcompositestructures.However,somespacecraftpartsneedhighdimensionalstabilitytokeepitsrightfunction.Tillnow,themechanicalpropertiesofthecompositehavebeenwidelystudied,however,thethermalpropertiesofcompositeandoptimizationofcompositeconsideringboththermalandmechanicalpropertiesarefarfromwellstudied.Compositetubeswereoptimizedtoagivencoefficientofthermalexpansion(CTE),andthestiffnessofthosetubeswastakenintoconsiderationatthesametime.Firstly,multiscalenumericalmodelsweredevelopedtocalculatetheCTE.Inmicro-scalemode,theCTEofunidirectionalfiberreinforcedcompositewascalculatedbythefiberCTEthroughrepresentativevolumeelements(RVE).In macro-scale,acompositetubemodelwasgeneratedtopredictbothaxialandtransverseCTEofthetubebasedontheCTEcomputedbyRVE.Compositelaminatesandtubeswithgivenplieswereanalyzedandtested.Comparisonbetweenthepredictedresultsandtheexperimentaloneverifiedthemodel,whichmadethefoundationfortheoptimizationmode.Secondly,optimizationmodelsforcompositetrussstructurewerecreated.Theconjugategradientmethodwasadoptedtooptimizethepliesofcompositeparts,andthethermal-mechanicaloptimizingmethodwasdeveloped.Finally,thesatellitesupporttrussstructurewasanalyzedbythethermal-mechanicaloptimizingmethod.Analyzedresultsshowthatthisoptimizedsupportstructureandthewholeantennahaveanexcellentthermaldimensionalstability.Thethermalmechanicaloptimizingmethodcanbeusedforthermalstabilitydesignandanalysisofcompositesupporttrussstructures.

Key words: Truss, Multi-scale;Optimizingdesign, Thermalstability, Representativevolumeelement, Coefficientofthermalexpansion, Satellite