衛(wèi)星結(jié)構(gòu)板優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳有梅 余成鋒

摘要：

利用MSC Patran對(duì)某板式衛(wèi)星結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模，采用MSC Nastran對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行模態(tài)分析，獲取整星結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，驗(yàn)證有限元模型的正確性和準(zhǔn)確度。在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的約束條件下，對(duì)安裝有效載荷單機(jī)的關(guān)鍵底板進(jìn)行剛度和強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)的有限元仿真分析表明：優(yōu)化設(shè)計(jì)可有效抑制載荷單機(jī)處的振動(dòng)位移響應(yīng)。

關(guān)鍵詞：

微小衛(wèi)星； 優(yōu)化設(shè)計(jì)； 有限元分析； 模態(tài)參數(shù)； 動(dòng)響應(yīng)

中圖分類號(hào)： V423.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Optimization design for satellite structure plate

CHEN Youmei， YU Chengfeng

（Shanghai Engineering Center for Microsatellites， Shanghai 201120， China）

Abstract：

A finite element model of the plate satellite structure is created by MSC Patran， and its modal analysis is carried out by MSC Nastran. Modal parameters of whole satellite structure are obtained. Compared with the test results， the correctness and accuracy of the finite element model are verified. In order to meet the constraint conditions of structural strength and stiffness， the stiffness and strength optimization design of the key base plate of single machine with effective loading is carried out. It shows that the optimization design can effectively suppress the vibration displacement response of the single machine through the finite element simulation analysis of the structure before and after optimization.

Key words：

microsatellite； optimization design； finite element analysis； modal parameter； dynamic response

0 引 言

承受載荷和安裝設(shè)備是衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的主要功能。在航天器所承受的所有載荷中，運(yùn)載發(fā)射過程中星箭界面的振動(dòng)和沖擊載荷無疑是對(duì)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的最大考驗(yàn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，過半的飛行器故障都是由振動(dòng)和沖擊造成的。對(duì)于板式衛(wèi)星，結(jié)構(gòu)板的剛度和強(qiáng)度直接影響衛(wèi)星入軌后能否正常工作，因此，衛(wèi)星結(jié)構(gòu)板的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)衛(wèi)星的正常工作十分重要，與運(yùn)載直接連接的衛(wèi)星底板更是設(shè)計(jì)中的重中之重。衛(wèi)星底板的優(yōu)化設(shè)計(jì)一直是衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員關(guān)注的問題。[12]有限元理論的形成[3]和有限元軟件在航天領(lǐng)域的大量使用已解決很多的實(shí)際問題，如衛(wèi)星結(jié)構(gòu)裝配的力學(xué)問題[4]、衛(wèi)星蜂窩板仿真問題[5]和衛(wèi)星有效載荷的力學(xué)分析[67]等。目前，隨著有限元軟件包的不斷發(fā)展和豐富，基于有限元軟件的衛(wèi)星零部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)已成為主要的優(yōu)化設(shè)計(jì)途徑。[810]

本文基于有限元分析對(duì)某型號(hào)衛(wèi)星底板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。利用MSC Patran建立衛(wèi)星的有限元模型、采用MSC Nastran對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行模態(tài)分析，并將分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證有限元模型和分析方法的正確性和精確度；根據(jù)首次分析結(jié)果對(duì)衛(wèi)星底板的預(yù)埋承力環(huán)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)優(yōu)化后的載荷安裝板進(jìn)行二次分析，以測(cè)點(diǎn)之間的傳遞效率為研究對(duì)象，將分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證優(yōu)化效果。

1 整星有限元模型

利用MSC Patran對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行有限元建模。采用4節(jié)點(diǎn)層合殼單元模擬鋁蜂窩安裝板，梁?jiǎn)卧M承力框架結(jié)構(gòu)，質(zhì)量點(diǎn)單元模擬剛性較好的儀器設(shè)備。剛度與星體頻率接近的儀器設(shè)備單獨(dú)建立有限元模型；儀器安裝板與主結(jié)構(gòu)之間采用較密的螺栓連接，并簡(jiǎn)化成對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)合并；在儀器設(shè)備連接部位的連接件節(jié)點(diǎn)間采用MPC剛性單元REB2模擬連接；星上線纜、結(jié)構(gòu)附件等構(gòu)件均不單獨(dú)建模，分別以集中質(zhì)量或分布非結(jié)構(gòu)質(zhì)量的形式加載到整體模型中。整星模型的建立基于以下原則：確保整星傳力路徑完整；確保典型載荷工況的計(jì)算實(shí)用性；結(jié)構(gòu)件參數(shù)化；結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)簡(jiǎn)化。整星有限元模型共有386 537個(gè)單元、429 997個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2 有限元模型驗(yàn)證

局部調(diào)整非結(jié)構(gòu)質(zhì)量，確保所建模型的質(zhì)量、質(zhì)心與實(shí)測(cè)結(jié)果一致。初始設(shè)計(jì)得到的整星有限元模型1階X向彎曲振動(dòng)頻率為32.0 Hz，試驗(yàn)測(cè)得的相同振型模態(tài)頻率為32.9 Hz，誤差為2.7%，主要模態(tài)計(jì)算結(jié)果見表1。數(shù)據(jù)表明，衛(wèi)星前5階模態(tài)頻率的偏差均小于5%，證明模型準(zhǔn)確可信。

3 底板局部結(jié)構(gòu)的初始設(shè)計(jì)和分析

衛(wèi)星底板采用蜂窩板結(jié)構(gòu)，并在內(nèi)部預(yù)埋承力環(huán)。底板尺寸為915.00 mm×930.00 mm×30.00 mm，表面為0.30 mm厚的鋁蒙皮面板，蜂窩芯規(guī)格為4.00 mm×0.04 mm。蜂窩板的承力環(huán)預(yù)埋在底板的中心，其結(jié)構(gòu)形式見圖1。底板載荷單機(jī)安裝點(diǎn)位置見圖2，2個(gè)安裝點(diǎn)安裝螺釘孔在承力環(huán)上，其余4個(gè)安裝點(diǎn)埋件單獨(dú)埋在蜂窩板內(nèi)。

對(duì)底板進(jìn)行有限元建模，安裝點(diǎn)位置見圖3，其中：2個(gè)承力環(huán)上的安裝點(diǎn)對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)編號(hào)為63和76；其余4個(gè)埋件對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)標(biāo)號(hào)分別為43859、43872、59180807和59180810。

按照衛(wèi)星坐標(biāo)系分別對(duì)上述有限元模型進(jìn)行5～200 Hz正弦掃頻分析，掃頻速率為2 oct/min。X、Y、Z向激勵(lì)時(shí)，以節(jié)點(diǎn)63作為參考點(diǎn)，其余5個(gè)節(jié)點(diǎn)相對(duì)于節(jié)點(diǎn)63的相對(duì)位移（考慮相位信息）曲線分別見圖4～6。由此可知，載荷單機(jī)安裝界面的各安裝點(diǎn)的動(dòng)態(tài)位移不一致，承力環(huán)上的安裝點(diǎn)位移較小，距離底板中心點(diǎn)較近的2個(gè)節(jié)點(diǎn)響應(yīng)較大。載荷單機(jī)安裝面的3個(gè)方向最大變形量分別為X向0.008 4 mm、Y向0.098 0 mm、Z向0.150 0 mm。在衛(wèi)星受到Y(jié)向和Z向載荷激勵(lì)時(shí)，載荷單機(jī)安裝面的變形較嚴(yán)重。安裝面變形不均勻主要由安裝界面剛度不均勻引起。2個(gè)底板承力環(huán)上的安裝腳剛度一致性較好，其余4個(gè)預(yù)埋在底板蜂窩內(nèi)的安裝腳剛度比承力環(huán)上的安裝腳剛度弱。該方案設(shè)計(jì)在工程試驗(yàn)中經(jīng)歷X、Y、Z向正弦振動(dòng)以及X、Y、Z向隨機(jī)振動(dòng)，由于位移過大導(dǎo)致疲勞破壞。試驗(yàn)結(jié)束后，測(cè)試載荷單機(jī)安裝面的變形為0.2 mm，并引起載荷單機(jī)內(nèi)部關(guān)鍵部位變形，導(dǎo)致載荷單機(jī)的功能受到影響。

4 底板局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

將6個(gè)安裝腳組成平面的一致性作為優(yōu)化目標(biāo)，以加強(qiáng)筋的寬度和位置作為主要變量、底板的質(zhì)量為次要變量對(duì)承力環(huán)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)流程見圖7。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的承力環(huán)結(jié)構(gòu)形式見圖8，載荷安裝腳的位置與優(yōu)化設(shè)計(jì)前保持一致。對(duì)優(yōu)化后的載荷單機(jī)界面處20～200 Hz范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行分析。在X、Y、Z向激勵(lì)時(shí)，以節(jié)點(diǎn)63作為參考點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)相對(duì)于節(jié)點(diǎn)63的相對(duì)位移曲線分別見圖9～11。

5 數(shù)據(jù)對(duì)比分析

對(duì)底板預(yù)埋承力環(huán)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，整星模態(tài)計(jì)算分析結(jié)果表明：優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)整體結(jié)構(gòu)特性沒有影響，整星X向1階模態(tài)頻率為32.0 Hz，Y向1階模態(tài)頻率為33.2 Hz，Z向1階模態(tài)頻率為117.4 Hz。底板與載荷單機(jī)部位的局部模態(tài)頻率有所提高。優(yōu)化底板承力環(huán)，該局部頻率提高2.0 Hz。

優(yōu)化后載荷單機(jī)界面的最大相對(duì)變形量為X向0.006 7 mm、Y向0.033 0 mm、Z向0.090 0 mm，且所有頻率下各安裝點(diǎn)的相對(duì)位移均減小。以初始響應(yīng)最大值出現(xiàn)的頻率點(diǎn)作為參數(shù)，界面變形改善情況對(duì)比見圖12～17，其中X、Y、Z單個(gè)方向頻率分別為150、108和66 Hz。由此可知，載荷單機(jī)界面的變形條件有很大改善，符合載荷單機(jī)的安裝要求。

6 試驗(yàn)驗(yàn)證

優(yōu)化設(shè)計(jì)后進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)的驗(yàn)證，分別布置測(cè)點(diǎn)0、1、2、3（見圖18），測(cè)試4個(gè)測(cè)點(diǎn)的加速度和位移。測(cè)點(diǎn)1、2、3在X、Y、Z向相對(duì)測(cè)點(diǎn)0的位移分別見圖19～21，載荷單機(jī)安裝面的變形得到明顯改善，相對(duì)變形量最大為0.08 mm。該優(yōu)化設(shè)計(jì)方案在工程試驗(yàn)中經(jīng)歷X、Y、Z向正弦振動(dòng)以及X、Y、Z

向隨機(jī)振動(dòng)，在試驗(yàn)結(jié)束后測(cè)得載荷單機(jī)安裝面的變形均小于0.08 mm，表明其載荷性能穩(wěn)定。

7 結(jié)束語

建立準(zhǔn)確可信的衛(wèi)星有限元模型，通過對(duì)衛(wèi)星的有限元分析，完成衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的局部剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)抑制載荷單機(jī)安裝界面處的相對(duì)位移提出較優(yōu)的設(shè)計(jì)方案?？己诵l(wèi)星經(jīng)受動(dòng)力學(xué)環(huán)境的能力，在衛(wèi)星及其攜帶的儀器設(shè)備的方案設(shè)計(jì)階段，分析其結(jié)構(gòu)組件動(dòng)力學(xué)環(huán)境，可提高設(shè)計(jì)可靠性。

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（編輯 付宇靚）