航天器高稳结构的概念、原理与试验验证.pptx

概述 高稳结构是指具有高尺寸稳定性的结构。 不同类型的航天器上设备对结构尺寸稳定性的要求是不同的，因为对尺寸稳定性敏感程度的不同，所产生的效应不同 ;结构稳定性影响因素 力学因素 温度交变 真空、辐射、原子氧等空间环境 湿气;高稳结构设计指标 与时间相关的稳定性 短期稳定性 长期稳定性 与基准状态相关的稳定性 相对于基准状态的绝对稳定性 相对于平衡位置的相对稳定性;高稳结构设计指标 热稳定性指标 必须物理含义明确，不允许存在歧义或模糊性，如“安装面变形优于1μm”这样的指标描述是含义不明的，应该用安装面高度方向或面内变形等明确确定。 热稳定性指标的数学含义必须明确，如均值、最大值、峰峰值、均方值等。 热稳定性指标必须明确规定是长期稳定性还是短期稳定性，或者两者都需要明确给出。 在需要通过复杂算法获取热稳定性指标时，应采用各方认可的算法进行计算。;高稳结构设计 高稳结构设计概念 高稳结构设计的两个原则 自身具有良好的尺寸稳定性； 具有对外部变形因素的解耦能力。 两种方式实现方式 主动方式。通过作动器恢复由应力或外部环境产生的形变以达到高尺寸稳定性要求。 被动方式。是使用对这些效应不敏感的材料并结合一定的结构设计达到稳定性指标。;高稳结构设计 高稳结构本体设计 材料设计 材料选择：应具有高刚度、高强度、低密度、低热膨胀系数、低湿膨胀系数等性能。 常用的低膨胀系数的材料： 殷钢主要用于小型支架或复合材料埋件的稳定性设计中； 微晶主要用于相机镜片材料； 碳纤维增强树脂基复合材料和碳／碳复合材料主要用于相机主结构或有效载荷适配结构的高稳结构设计中。;高稳结构设计 高稳结构本体设计 铺层设计 全方向零膨胀设计指使得在面内任意方向上的热膨胀系数均为零。 零膨胀设计铺层首先是各向同性设计，其铺层设计应满足： ①铺层总数n≥2。 ②各层材料性质和厚度相等。 ③各层纤维方向按如下公式排列： 全方向零膨胀设计的基本条件： 单方向零膨胀设计更容易实现，且在仅需要特定方向的高稳设计时，更具有实际工程意义。 无论是全方向零膨胀设计还是单方向零膨胀设计在进行热稳定性铺层设计时，所有铺层必须对称。;高稳结构设计 高稳结构本体设计 构型设计 设计初始阶段，难以定量分析 尽量避免复杂构型 埋件设计 材料 埋件间距 埋件数量;高稳结构设计 高稳结构连接设计 静定安装 不仅是使得结构力学性能求解容易，可以把支撑特性与高稳结构内部特性进行解耦。;高稳结构分析 温度载荷分析与工况 边界条件。对于航天器在轨热稳定性分析，自然处于无约束状态。但地面试验预示和单机级热稳定性分析则存在一个边界条件模拟和设置，以及识别最恶劣工况的问题。与直观感觉不同，存在边界条件时，最恶劣工况可能既不是边界全刚性约束，也不是边界全自由状态，而是边界刚度和温度分布以及温度梯度的特定组合下的状态会成为最恶劣工况。这在分析单机级热稳定性性能时尤其需要注意，不考虑边界刚度影响，对单机进行热稳定性分析，其结果仅可作为参考或初步评估，不能作为最终热稳定性指标的依据。 在轨工作时间影响。航天器的温度场在入轨初期和末期存在差异，这个差异对热稳定性指标的影响必须考虑，也就是入轨初期和末期的稳定性指标应该分别确认。;高稳结构分析 温度载荷分析与工况 标定周期的影响。航天器上的有效载荷工作时往往存在一个在轨标定的过程。稳定性的指标分析与标定周期相关，标定周期时间间隔，决定了在轨热稳定性分析时间段的选取以及热稳定性的指标。 工作模式的影响。有效载荷在轨的工作模式，包括工作时间（短时、长期、全寿命），航天器姿态等都对温度场时间段的选取和工况的制定产生影响。如果是短时间工作，则仅在工作时间段内的温度场对热稳定性指标的影响是有意义的。;高稳结构分析 高稳结构分析中的常见问题 刚性单元。刚性单元一般不考虑热膨胀，这在热稳定性问题中存在潜在的巨大误差。引入误差依赖于刚性单元的大小。然而，即使是很小的刚性单元，在存在偏置时也会产生较大的误差。多点约束方程（MPC）可能会以同样的方式增加误差。这个问题的一个解决方法是采用刚度非常大的、具有热膨胀功能的单元。但由于单元刚度过大，可能导致和其他的柔性单元一起求解时会产生求解的收敛问题。 热膨胀系数。当对材料不赋予热膨胀系数时，一般的商业软件是假设材料的热膨胀系数为零，此时计算将获得错误的结果。因此，在热稳定性计算之前，检查各个材料的热膨胀系数是必需的一步。;高稳结构分析 高稳结构分析中的常见问题 参考温度或初始温度。热稳定性的计算结果是结构存在相对于某一初始温度或参考温度时的温度场时的变形。如果不指定这一初始状态，则一般程序会将0°设为初始温度或参考温度，此时计算将获得错误结果。 结果处理。以稳定性指标为分析目的的计算结果，多是以变形的形式出现。这个变形是广