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1、卫星结构设计与分析（上）卫星结构设计与分析（上）汇报人：李建辉2018年9月7日目目录录第一章第一章 概论概论第二章第二章技术基础技术基础第三章第三章 卫星结构基础卫星结构基础第四章第四章卫星结构材料卫星结构材料第五章第五章卫星结构分析卫星结构分析第六章第六章 卫星结构设计的验证卫星结构设计的验证第一章第一章 概论概论1.1 概念与范畴概念与范畴1.2 卫星结构和机构的功能卫星结构和机构的功能1.3 卫星结构和机构的特点和原卫星结构和机构的特点和原则则1.4 卫星结构和机构的分类卫星结构和机构的分类1.5 卫星结构和机构的研制程序卫星结构和机构的研制程序1.6 技术的发展和展望技术的发展和展望
2、1.1 概论卫星结构卫星机构卫卫星星机机械械分分系系统统1、设计、设计2、制造、制造3、试验、试验1.2 卫星结构和机构功能卫星结构卫星机构承受载荷安装设备提供构型互相别离承受或解锁紧固或链接展开位置及形状指向规定目标1.3 卫星结构和机构设计的特点和原那么设计特点尽量减少质量利用有限容积突出刚性设计适应空间环境保证高度可靠满足一次使用设计的综合性和迭代性设计原则继承现有设计基础保持简单设计设计风险意识设计的工艺条件设计的经济性1.4 卫星结构和机构分类粒子探测器卫星探月LCROSS二级载荷适应器1.4 卫星机构分类功能划分1、压紧与释放机构2、展开机构3、驱动机构4、连接于别离机构NASA开
3、展高级太阳能池阵1.5 卫星结构和机构的研制程序综合分析方案设想提出攻关项目方案设计方案验证方案评审关键技术攻关初步设计和分析零部件制造、验收及产品装配正样分析正样设计出厂评审验收试验初样设计制定试验规范初样分析设计评审初样产品装配零部件制造零部件验收鉴定实验初样阶段评审制定验收规范可可行行性性论论证证方案阶段方案阶段初样阶段初样阶段正正样样阶阶段段1.6 卫星结构和机构技术的开展和展望卫星结构技术本体技术可展开附件防热结构新型结构卫星机构技术压紧释放、展开驱动连接与分离机构新型机构新需求、新技术新需求、新技术新材料、复合材料的应新材料、复合材料的应用用新设计理念和分析方法新设计理念和分析方法
4、的应用的应用第二章第二章 技术基础技术基础2.1 概述概述2.2 结构动力学结构动力学2.3 复合材料力学复合材料力学2.4 结构有限元法结构有限元法2.5 结构优化方法结构优化方法2.6计算机辅助设计计算机辅助设计2.1 概述结构力学复合材料力学有限元法结构优化结构热效应和热变形可靠性理论、热力学理论等等2.2 结构动力学结构动力学三要素：系统结构、输入鼓励、输出响应系统分类：线性和非线性，保守和非保守系统结构动力学根本方法：分析和实验结构动力学方程：连续系统偏微分和集中参数常微分方程分析与求解：理论分析、数值分析和综合技术等2.2 结构动力学单自由度系统的自由振动无阻尼自由振动有阻尼自由振
5、动单自由度的受迫振动简谐激振周期激振任意激振多自由度系统的振动方程建立基本概念固有频率和固有模态的特性多自由度系统的振动方程建立拉格朗日数目与自由度相同计算系统动能与势能基本概念特征方程固有模态归一模态钢体模态固有频率和固有模态模态正交性刚度矩阵K与质量矩阵M展开定理包括位移和能量展开特征值有序性特征值排列特征值隔离定理2.3 复合材料力学 合材料力学是研究复合材料本身力学性质的学科。一般为纤维增强，是一种比较特殊的不均匀的各项异性材料。单向材料层合材料复复合合材材料料力力学学1、微观复合材料、微观复合材料力学力学2、宏观复合材料、宏观复合材料力学力学2.3 复合材料力学层合复合材料刚度层合复
6、合材料刚度分析分析为避免拉弯耦合或者拉剪偶尔，通常对称铺设层合复合材料硬度层合复合材料硬度分析分析不是单纯线性相加，以首层破坏为破坏强度，或者以末层破坏加以安全系数2.4 结构有限元法 有限元的核心一是求PDE(偏微分方程)的近似解，二是离散化(discretization)。有限元方程的建立结构离散化虚位移原理有限元根本方程线弹性有限元方程分析单元力学性能计算等效节点建立整体结构平衡方程应用位移边界条件计算单元应变及应力选择位移方程有有限限元元法法分分析析过过程程2.4 结构有限元法弹簧元板单元体单元梁单元壳单元杆单元2.5 结构优化方法 数学规划法是运用数学规划和优选法区寻求设计变量的最优
7、解。结构优化法最优化设计的数学命题设计变量约束条件目标函数最优化方法数值迭代方法点列收敛柯西准则终止准则，理论值与近似值最优化算法无约束优化有约束优化1、直接法2、转换成无约束法优化算法分为：梯度下降学派和牛顿法学派2.6 计算机辅助方法结构分析能力排名：1、ABAQUS、ADINA、MSC、ANSYS体分析能力排名：1、ANSYS、ADINA、MSC、ABAQUS耦合分析能力排名：1、ADINA、ANSYS、MSC、ABAQUS性价比排名：最好的是ADINA，其次ABAQUS、再次ANSYS、最后MSC由于NASA的关系，MSC在航空和军工行业具有一定优势。CAD计算机辅助几何造型CAE运动
8、学分析结构有限元分析CAM结构设计/制造一体化第三章第三章 卫星结构设计卫星结构设计3.1 概述概述3.2 卫星结构的工作环境卫星结构的工作环境3.3 卫星结构的载荷卫星结构的载荷3.4 卫星结构的设计要求卫星结构的设计要求3.5 卫星结构的设计方案卫星结构的设计方案3.6 卫星结构的详细设计卫星结构的详细设计3.2 卫星结构的工作环境地面环境再入环境再轨环境发射环境 1、起飞和地面噪声 2、最大气动载荷 3、稳态飞行 4、级间别离 5、整流罩别离 6、星箭别离 1、真空 2、热辐射 3、带电粒子辐射 4、紫外辐射 5、原子和分子粒子 6、微流星和空间碎片1、再入气动力和气动热2、返回冲击 1
9、、地面自然环境 2、制造 3、操作 4、储存 5、运输 6、地面试验3.3 卫星结构载荷分析载荷源稳态载荷源静载荷热载荷源热载荷动力激励源动载荷结构静载荷分析结构的综合载荷分析结构动载荷分析载荷分析循环与载荷验证3.4 卫星结构的设计要求根本要求强制要求导出要求主要为结构件的强度和刚度，以保证结构稳定。1、运载火箭系统对卫星结构的约束2、卫星系统对结构的设计约束3、任务环境对结构和机构的设计约束不同类型的结构与机构，导出要求也不一致1、结构变形2、机械接口3、可操作性4、构型刚度5、疲劳寿命6、机构润滑等3.5 卫星结构的方案设计确定方案设计条件和根本构型选择结构形式和材料形成初步方案设计方案
10、的比较和筛选构型设计主结构方案设计要求确定次结构方案设计要求确定结构形式的选择结构材料的选择结构连接方法的选择比较的参数比较的方法3.6 卫星结构的详细设计结构轮廓和舱段尺寸确定各结构部件设计参数确定连接设计参数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文件详细设计步骤详细设计步骤复合材料结合实际层合复合材料性能强度验证设计载荷确定安全系数和验证系数安全裕度故障模式影响分析提高设计可靠性结构优化设计的应用建模结构优化计算对优化结构分析设计灵敏度分析3.6 卫星结构的详细设计平安系数平安系数平安裕度平安裕度第四第四 章卫星结构材料章卫星结构材料4.1 概述概述4.2 金属
11、材料金属材料4.3 复合材料复合材料4.4 结构材料的选择结构材料的选择4.5 结构材料的应用和发展结构材料的应用和发展4.1 概述结构材料重要性结构材料的工作环境对对材材料料的的性性能能要要求求低密度要求质量小机械性能要求强度高、刚度大、韧性好物理性能要求高比热、低膨胀系数、高热导材料真空出气要求损失大于1%，收集不大于0.1%制造工艺要求产品可适应，可检验4.2 金属材料铝合金铝合金镁合金镁合金钛合金钛合金铍铍应用特点应用最广泛，最廉价，可形成氧化膜密度最小，易被腐蚀比强度很高，抗腐蚀，支撑力强适合精细构件，有毒物理性能熔点低，膨胀系数高，比热较高熔点低，膨胀系数高，熔点高，膨胀系数小，熔
12、点较高，比热高，膨胀系数小机械性能比强度，比模量高比强度，比模量高比强度高，弹性模量低，耐磨性差机械性能佳，高比模量，高比强度，呈脆性制造工艺易加工易加工复杂复杂4.3 复合材料卫星用纤维增强复合材料增强体碳纤维、玻璃纤维基体环氧树脂类界面层传递载荷复合材料性能根据采用增强体、基体以及加工方式差异较大各向异性，优良的机械物理性能、加工性能差4.3 复合材料碳碳/环氧复合材料环氧复合材料4.4 结构材料的选择复合材料相对于金属材料优点：1、很低的材料密度2、很高的比模量3、很高的强度4、颗设计性高5、热稳定性好，颗设计成零膨胀6、其他如腐蚀性等特点缺点：1、横向层间性能差2、韧性差3、二次加工差
13、4、耐热耐湿性能差5、材料本钱贵6、密封性能差4.5 结构材料的应用和开展特殊性能金属间化合物新型增强体纤维新型树脂基体新型金属基复合材料第五章第五章 卫星结构分析卫星结构分析5.1 概述概述5.2 结构分析模型的建立结构分析模型的建立5.3 结构静力分析结构静力分析5.4 结构模态分析结构模态分析5.5 结构动态响应分析结构动态响应分析5.6 结构热形变及热应力分析结构热形变及热应力分析5.1 概述1.结构分析是卫星设计重要一环，也是验证设计常用方法之一，节省研制时间和费用，还可以指导试验。2.结构分析任务：对结构力学进行定量评价3.分析方法可分为解析解法和数值解法5.2 结构分析模型的建立
14、建模需要考虑的问题结构理想化结构传力路径有限元分析类型的选择和单元网格划分单元特性的准备边界条件的确定载荷条件的确定分析模型质量特性自由模态检验刚度检查5.3 结构静力分析主要任务解决卫星结构的静强度。刚度和稳定性问题确定结构静力的载荷条件解析法的应用研制初期根据结构传力路线设计结构形式可用方便的解析法有限元法的应用建立有限元基本方程应力分析稳定性分析5.4 结构模态分析模态固有特性、系统的固有频率和对应振型目的和作用卫星结构方案选择的重要手段卫星结构设计的验证方法之一分配星载设计，避免频率相近，形成共振预计星载设备环境用于结构故障诊断模态分析方法利用刚度矩阵和质量矩阵求解得到模态频率及振型，
15、也是求解特征的方法模态特征分析模态有效质量分析模态动能势能分析5.4 结构模态分析简支梁二阶振型变化复杂系统运动方程解耦过程特征方程5.5 结构动态响应分析结构动态响应分的根本任务是研究结构在各类载荷作用下的动力学特征： 1、结构频率响应分析 2、结构随机振动响应分析 3、结构噪声响应分析 4、结构瞬态响应分析 5、结构冲击响应分析 结构噪声响应分析主要依靠试验手段，理论研究还不成熟。理论研究目前低频用有限元，高频用能量统计分析法能量可以结合力学和声学。5.6 结构热形变及热应力分析 温度能够引起材料性能改变，也就影响结构性能，导致产生热变形和热应力。因为结构改变不太影响结构热传递，热和结构问
16、题可以解耦分开研究。热效应影响结构 1热变形 2热弹力冲击 3热振动 4热颤抖 5热结构失稳UG有限元温度场下热变形值第六章第六章 卫星结构设计的验证卫星结构设计的验证6.1 概述6.2 结构设计验证的方法6.3 结构设计验证计划6.4 结构静强度验证6.5 结构动力特性的验证6.2 结构设计验证的方法 卫星的结构设计需要满足假设干要求及约束条件，但最根本的是满足结构的静力特性和动力特性要求。针对于风险和费用的矛盾，引入可接受的折中验证方法。1234分析验证分析验证检验验证检验验证类比验证类比验证试验验证试验验证方案设计初期比较重要，根据经验充分考虑合理性是对产品图样技术条件的验证，也可以直接
17、对产品进行检验与分析相结合，类比一个结构与另一个结构相似，而另一个已经经过验证，从而降低技术风险且节省研制经费和时间。1、研制试验2、鉴定试验3、验收试验4、有效性试验6.3 结构设计的验证方案产品产品设计要求设计要求验证方法验证方法备注备注分析检验试验类比整个卫星质量固有频率动态包络卫星本体机构质量强度寿命机械接口太阳翼质量强度寿命可靠性1、前言2、设计要求的简要说明，包括根本要求和导出要求3、环境条件的简要说明4、验证方法5、验证准那么6、参考资料和引用文件 验证方案是经过综合考虑技术、进度、经费以及产品质保管理制定验证方案是经过综合考虑技术、进度、经费以及产品质保管理制定的一个合理有效的验证方案。的一个合理有效的验证方案。6.4 结构静强度的验证方案设计阶段初样研制阶段初样结构静强度的分析验证初样结构静力试验验证的预分析，合理布置试验测点布置初样结构静强度的试验分析正样研制阶段正样结构静强度的验证，与初样试验对比，确认正样安全裕度是否满足需求简化载荷分析模型建立计算结果并输出有限元分析过程6.5 结构动力特性的验证方案设计阶段初样研制阶段初样结构动力特性分析验证分析模型的建立模态分析频率响应分析星/箭耦合动力分析初样结构动力特性试验验证模态试验鉴定试验正样研制阶段正样结构动力特性的验证分析验证和验收试验验证为主初样星试验状态，建立模型正样状态，修正模型正样星试验状态
