卫星结构设计与分析(上)--李建辉.ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,卫星结构设计与分析（上）,汇报人：李建辉,2018,年,9,月,7,日,目,录,第一章,概论,第二章,技术基础,第三章,卫星结构基础,第四章,卫星结构材料,第五章,卫星结构分析,第六章,卫星结构设计的验证,第一章,概论,1.1,概念与范畴,1.2,卫星结构和机构的功能,1.3,卫星结构和机构的特点和原则,1.4,卫星结构和机构的分类,1.5,卫星结构和机构的研制程序,1.6,技术的发展和展望,1.1,概论,卫星结构,卫星机构,卫星机械分系统,1,、设计,2,、制造,3,、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,互相分离,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则,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,、连接于分离机构,NASA,发展高级太阳能池阵,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,可行性论证,方案阶段,初样阶段,正样阶段,1.6,卫星结构和机构技术的发展和展望,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,新材料、复合材料的应用,新设计理念和分析方法的应用,第二章 技术基础,2.1,概述,2.2,结构动力学,2.3,复合材料力学,2.4,结构有限元法,2.5,结构优化方法,2.6,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（激励）、输出（响应）,系统,分类：线性和非线性，保守和非保守系统,结构动力学基本方法：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,复合材料力学,1,、微观复合材料力学,2,、宏观复合材料力学,2.3,复合材料力学,层合复合材料刚度分析,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,有限元基本方程,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,有限元法分析,过程,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,运动学分析,结构有限元分析,CAM,结构设计,/,制造一体化,第三章 卫星结构设计,3.1,概述,3.2,卫星结构的工作环境,3.3,卫星结构的载荷,3.4,卫星结构的设计要求,3.5,卫星结构的设计方案,3.6,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,、级间分离,5,、整流罩分离,6,、星箭分离,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,、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,基本要求,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基本构型,选择结构形式和材料,形成初步方案,设计方案的比较和筛选,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,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,安全系数,安全裕度,第四 章卫星结构材料,4.1,概述,4.2,金属材料,4.3,复合材料,4.4,结构材料的选择,4.5,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,对材料的性能要求,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,镁合金,钛合金,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,/,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,4,、耐热耐湿性能差,5,、材料成本贵,6,、密封性能差,4.5,结构材料的应用和发展,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 卫星结构分析,5.1,概述,5.2,结构分析模型的建立,5.3,结构静力分析,5.4,结构模态分析,5.5,结构动态响应分析,5.6,结构热形变及热应力分析,5.1,概述,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。,结构分析任务：对结构力学进行定量评价,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,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，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,结构动态响应分的基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,热颤动,5,热结构失稳,UG,有限元,温度场下热变形值,第六章 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若干要求及约束条件，但最基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。,1,2,3,4,分析验证,检验验证,类比验证,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,结构设计的验证计划,产品,设计要求,验证方法,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，包括基本要求和导出要求,3,、环境条件的简要说明,4,、验证方法,5,、验证准则,6,、参考资料和引用文件,验证计划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计划。,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,