卫星结构设计与分析(上)

0.25
复合材料结构的安全裕度
强度
0.25
按首层破坏方式计
算
稳定性
0.30
卫星结构材料
●概述
4
●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
卫星结构材料
概述
材 料 的 工 作 环 境
减小卫星结构质量
较小的线膨胀系数，较高的 比热容，良好的额热导率
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%。
01
卫星结构方案选择的
卫星研制初期，除了满足功能质量等要求
重要手段
外，还需满足卫星模态要求。
02
卫星结构设计验证
结构模态分析在卫星研制的各个阶段都是
方法之一
设计验证的重要方法。
分配星仔设备支架刚度 利用整星模态分析，可以合理的分配星载
03
和星载设备固有频率
设备安装刚度和星载设备固有频率。
预计星载设备环境趋势
结构瞬态响应和冲击响应分析
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
结构热效应
热变 形
热辗 轧
热弹 性冲 击
热引 起的 结构 运动
热颤 振
热振 动
●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
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
卫星结构和机构概论
卫星结构和机构的研制程序
可行性论
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
证阶段
方案阶段
①方案设计 ②初步设计和分析
③方案验证
④方案评审
研制程序
初样阶段
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
正样阶段
①正样设计和正样分析 ②产品实现和验证
低密度 要求
机械性 能要求
机械性 能要求
材料真 空出气 要求
制造工 艺要求
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。
卫星结构材料
金属材料
铝合金
低密度，良好的 导电导热性，成 本低廉，良好的
机加工性能
镁合金
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
零件分析 装配结构的建模和运算 计算和后处理
CAM模型准备 模型转换 数控编程 快速样件制造
卫星结构设计
●概述
3百度文库
●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
卫星 寿命
• 地面制造 • 发射阶段 • 在轨运行阶段 • 返回阶段
结构 功能
提供 构型
安装 设备
紧固 连接
指向
释放
目标
机构
解锁
功能
展开位 置形状
部件 分离
卫星结构和机构概论
结构机构设计特点和原则
满足一 次使用
保证高 度可靠
尽量减 小质量
设计特 点
适应空 间环境
利用有 限容积
突出刚 度设计
三化：通用化、系 列化、组合化
做到设计 “三化”
重视设计 综合性和 迭代性
认真考虑 经济性
通过模态分析可以定性预计星载设备环境 趋势。
04
05
用于结构故障诊断
利用结构故障前后的模型对比，找出卫星 结构故障。
卫星结构分析
结构动态响应分析
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。
结构随机振动响应分析
卫星结构分析
结构静力分析
分析方法 ●应用解析法 ●有限元方法
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。
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
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。
卫星结构分析
结构静力分析（解析法）
• 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
杆系结构 • 混合干系—分为桁架结构和钢架结构研究
卫星结构设计
卫星结构的方案设计
设计方案的比较和筛选 ●比较的参数 ●比较的方法
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
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
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
卫星结构设计
卫星结构的详细设计
结构轮廓尺 寸和舱段尺 寸的确定
确定各结构 部件的设计 参数
进行故障模 式影响分析
设计迭代和 优化
结构设计的详细步骤
确定结构连 接的设计参 数
设计接口界 面
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
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
③出厂评审
技术基础
●概述
2
● 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
技术基础
概述
结构动力学
有限元法
复合材料
结构优化
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
0 0
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。
卫星结构设计与分析
马佳 2019.01.02
目录
Contents
01
概论
02
技术基础
03
卫星结构
设计
04
卫星结构
材料
05
卫星结构
分析
06
卫星结构
设计验证
卫星结构和机构概论
●卫星结构和机构的功能
1
● 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
结构机构功能
承受 载荷
• 对传力路线和载荷而进行分析
板式结构
• 做为主承力结构，承受轴压、剪力和弯矩以及内压 载荷
壳体结构 • 分为薄壁加筋和蜂窝夹层
卫星结构分析
结构静力分析（有限元法）
分析结构的传力路径和承载特性，判断应力集中 部位。
应力分析
充分关注压应力和剪应力，受边界条件影响大。 稳定性分析
卫星结构分析
结构模态分析
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
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。
结构噪声响应分析
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。
设计 原则
继承现有 技术基础
保持最简 设计方案
充分考虑 工艺条件
强调设计 风险意识
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
对应 环境
• 地面环境 • 发射环境 • 轨道环境 • 再入环境
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
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。
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。
2
钛合金
比强度高，抗 腐蚀性能好， 良好的抗疲劳 性能以及高温
性能
3
铍
高比模量以及 较高的屈服强 度，高温机械 性能好，比热
容大
1
金属材料
4
卫星结构材料
复合材料
基体
复合材料
界面 增强纤维
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
卫星结构分析
●概述
5
●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
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。
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。
中心任务 分析方法
卫星结构分析
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
结构分析模型的建立
结构的理想化
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
建模需要考虑 的问题
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
2
分析模型的 检验
①质量特性检验 ②自由模态检验 ③刚度检查
1
结构分析模型
3
的建立
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
几何规划
技术基础
计算机辅助设计方法
结构件的计算机辅 助造型
卫
星
计 算
机构的计算机辅助
机
辅
助
结构有限元分析
制造一体化
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 机构分析几何建模 机构的运动性 运动仿真 结果处理
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
按材料屈服强度计算
0
按材料极限强度计算
0.15
按构件稳定性计算
结构离散化
选择位移函数
有
分析单元力学特性
限
元
计算等效节点
分
析
建立整体平衡方程
过
程
应用条件求解方程
计算单元应力应变
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 解析法 准则法
线性规划 动态规划 非线性规划