基于有限元的太陽翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析驗(yàn)證

朱興高 欒家輝 代永德

摘要：為研究空間驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在力學(xué)和熱學(xué)環(huán)境下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，提出一種強(qiáng)度分析驗(yàn)證方法。以太陽翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為例，在隨機(jī)振動(dòng)載荷和熱載荷作用下，研究機(jī)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)是否滿足要求。利用HyperWorks和Abaqus構(gòu)建有限元模型，借助振動(dòng)掃頻試驗(yàn)數(shù)據(jù)完成模型的有效性驗(yàn)證，開展隨機(jī)振動(dòng)分析和熱學(xué)分析，并對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行合理性判斷。結(jié)果表明：應(yīng)力強(qiáng)度最大值均在安全設(shè)計(jì)裕度內(nèi)，太陽翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。該驗(yàn)證方法可有效指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、降低研制費(fèi)用和縮短研制周期。

關(guān)鍵詞：太陽翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu);結(jié)構(gòu)強(qiáng)度;模型驗(yàn)證;隨機(jī)振動(dòng);熱真空;熱循環(huán);有限元

中圖分類號(hào)：V414.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1006-0871（2019）02-0011-04

0?引?言

航天器在發(fā)射和在軌運(yùn)行過程中經(jīng)歷劇烈的振動(dòng)環(huán)境和熱學(xué)環(huán)境。隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)來自于發(fā)動(dòng)機(jī)的不穩(wěn)定燃燒引起的推力脈動(dòng)和相關(guān)設(shè)備的不平衡旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)振動(dòng)等。[1-2]熱環(huán)境應(yīng)力來自于空間外部熱流和航天器自帶的電機(jī)、導(dǎo)電環(huán)和其他帶熱源的部組件。隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境和熱學(xué)環(huán)境因素是航天產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)過程中必須考慮的重要因素。在設(shè)計(jì)初期采用仿真方法開展結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析驗(yàn)證，找到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，有利于結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和優(yōu)化，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期和降低生產(chǎn)成本。[3-4]

1?有限元模型構(gòu)建與驗(yàn)證

1.1?模型驗(yàn)證流程

太陽翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為典型空間機(jī)電結(jié)構(gòu)，存在多處螺栓連接，各個(gè)零部件使用特殊的航天材料，這些結(jié)構(gòu)特征導(dǎo)致分析模型的結(jié)構(gòu)阻尼和材料阻尼具有不確定性，在設(shè)計(jì)階段難以提供準(zhǔn)確的模態(tài)阻尼參數(shù)。[5-7]因此，可以用模態(tài)阻尼參數(shù)驗(yàn)證有限元模型的準(zhǔn)確性。太陽翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析驗(yàn)證流程見圖1。在驗(yàn)證模型正確的基礎(chǔ)上，開展隨機(jī)振動(dòng)分析和熱分析。仿真結(jié)果可以驗(yàn)證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的合理性，同時(shí)可以指導(dǎo)測(cè)試的實(shí)施。

1.2?有限元模型

1.2.1?模型離散

太陽翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由主軸、前軸承組件（軸承和前軸承座）、后軸承組件（軸承和后軸承座）、電機(jī)組件（電機(jī)定子和電機(jī)轉(zhuǎn)子）、旋變組件（旋轉(zhuǎn)定子和旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子）、功率導(dǎo)電環(huán)組件（盤環(huán)體和上刷架盤）、信號(hào)導(dǎo)電環(huán)和結(jié)構(gòu)件（主殼體、后殼體、下刷架盤和后蓋）等組成。太陽翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的零部件結(jié)構(gòu)特征復(fù)雜，在HyperWorks中選取六面體單元將其離散為一系列單元，各單元在節(jié)點(diǎn)處相關(guān)聯(lián)。相鄰單元之間通過TIE連接方式模擬零部件之間的螺栓連接，傳遞力和力矩。太陽翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)有2個(gè)連接法蘭：一個(gè)在產(chǎn)品的殼體上，與星體上的支架連接;另一個(gè)在太陽翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出軸端面上，與太陽翼根部鉸鏈連接。太陽翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)會(huì)帶動(dòng)太陽翼一同轉(zhuǎn)動(dòng)，因此對(duì)太陽翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主殼體的12個(gè)螺栓孔進(jìn)行全約束，添加材料特性參數(shù)，得到太陽翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的有限元模型，見圖2。

1.2.2?模型修正

對(duì)太陽翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行特征級(jí)正弦掃頻試驗(yàn)。以y方向?yàn)槔?，設(shè)定加速度為0.500g（g取9.8 m/s2），頻率范圍為10～2 000 Hz，得到太陽翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)y方向的基頻為318.6 Hz，對(duì)應(yīng)的加速度響應(yīng)為14.962g，放大因子Q=14.926g/0.500g=29.924。模態(tài)阻尼比與動(dòng)態(tài)放大因子互為倒數(shù)，因此得到系統(tǒng)的模態(tài)阻尼比為0.033。

有限元模型需要根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。對(duì)有限元模型進(jìn)行y方向的正弦振動(dòng)仿真分析，設(shè)定加速度為0.500g，頻率范圍為10～2 000 Hz，模態(tài)阻尼比為0.033，仿真計(jì)算得到太陽翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)y方向的基頻為310.0 Hz，加速度響應(yīng)為14.592g。計(jì)算頻率響應(yīng)點(diǎn)的誤差為2.70%，響應(yīng)值的誤差為2.47%，都小于5.00%，在工程誤差允許范圍之內(nèi)，驗(yàn)證構(gòu)建的有限元模型合理有效，可以開展后續(xù)的仿真計(jì)算。[8]

2?數(shù)字化仿真

2.1?隨機(jī)振動(dòng)仿真分析

在太陽翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)仿真分析，能有效預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位在力學(xué)環(huán)境下的響應(yīng)，為機(jī)構(gòu)順利通過力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)提供參考。[9-12]太陽翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)載荷由力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)條件確定。隨機(jī)振動(dòng)仿真分析條件見圖3。

太陽翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)關(guān)于xOy平面對(duì)稱，所以可以只研究結(jié)構(gòu)在x和y方向上的響應(yīng)。太陽翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)隨機(jī)振動(dòng)仿真分析結(jié)果見表1，應(yīng)力云圖和加速度響應(yīng)曲線分別見圖4～7。

由以上分析可以看出：結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力出現(xiàn)在x方向，最大應(yīng)力為59.43 MPa，小于材料的許用應(yīng)力400 MPa，若取安全因數(shù)為6.73，則不會(huì)在峰值應(yīng)力下發(fā)生破壞，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。x方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)最大值的方向，加速度均方根為796.94 m/s2，加速度均方根放大倍率為6.35，小于10，在安全裕度范圍內(nèi)，說明結(jié)構(gòu)具有足夠高的剛度和強(qiáng)度，安全性好，在力學(xué)環(huán)境下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

2.2?熱學(xué)仿真分析

熱學(xué)仿真分析主要針對(duì)太陽翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)品在熱循環(huán)和熱真空條件下的溫度分布情況進(jìn)行分析。根據(jù)產(chǎn)品的鑒定級(jí)試驗(yàn)條件，確定熱循環(huán)和熱真空下的溫度場(chǎng)曲線，分別見圖8和9。

熱循環(huán)下的熱分布和熱應(yīng)力云圖分別見圖10和11。

由此可知：在施加熱循環(huán)條件下，太陽翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的最高溫度出現(xiàn)在盤環(huán)體上，最高溫度為245.6 ℃，最低溫度為148.5 ℃;高溫下的最大熱應(yīng)力出現(xiàn)在旋變組件位置，大小為402.6 MPa，低溫下的最大熱應(yīng)力出現(xiàn)在軸承座上，大小為372.5 MPa，均小于材料的許用應(yīng)力，說明在熱循環(huán)下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

熱真空下的熱分布和熱應(yīng)力云圖分別見圖12和13。

在熱真空條件下，太陽翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的最高溫度和最大熱應(yīng)力均出現(xiàn)在盤環(huán)體上：在70 ℃溫度場(chǎng)，機(jī)構(gòu)的最高溫度為268 ℃，最大熱應(yīng)力為363.0 MPa;在-35 ℃溫度場(chǎng)，機(jī)構(gòu)的最高溫度為183 ℃，最大熱應(yīng)力為262.1 MPa。熱真空條件下的最大熱應(yīng)力均小于材料的許用應(yīng)力，說明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

3?結(jié)束語

提出一種結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析驗(yàn)證方法，建立太陽翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的有限元模型，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證其有效性。利用HyperWorks和Abaqus計(jì)算太陽翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境和熱環(huán)境下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，結(jié)果認(rèn)為盤環(huán)體為強(qiáng)度薄弱環(huán)節(jié)，太陽翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。該方法在產(chǎn)品設(shè)計(jì)前期節(jié)約時(shí)間和成本，為類似產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供參考。建模精度在很大程度上取決于計(jì)算機(jī)性能和設(shè)計(jì)師的專業(yè)水平，有關(guān)模型更精確的驗(yàn)證還需要更多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。

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（編輯?武曉英）