衛星結構設計與分析,馬佳2019.01.02,01概論,02技術基礎,05衛星結構分析,04衛星結構材料,目錄Contents,03衛星結構設計,06衛星結構設計驗證,1,衛星結構和機構概論,衛星結構和機構的功能衛星結構機構設計特點衛星結構機構分類衛星結構機構研制程序,衛星結構和機構概論,結構機構功能,衛星結構和機構概論,結構機構設計特點和原則,三化：通用化、系列化、組合化,衛星結構和機構概論,衛星結構和機構的分類,結構按照載荷分類主結構和次結構按照結構分類承力結構、密封結構和防熱結構按照部件形狀分類桿系結構、板式結構、殼體結構機構壓緊釋放機構展開機構驅動機構連接分離機構,研制程序,分析任務需求，提出初步方案設想，針對方案中的難點突出攻關項目,可行性論證階段,方案設計初步設計和分析方案驗證方案評審,方案階段,初樣設計分析產品實現過程制定驗收規范制定試驗規范鑒定試驗初樣階段評審,初樣階段,正樣設計和正樣分析產品實現和驗證出廠評審,正樣階段,衛星結構和機構概論,衛星結構和機構的研制程序,2,技術基礎,概述結構動力學復合材料學結構有限元法結構優化方法計算機輔助設計方法,結構動力學,復合材料,有限元法,結構優化,技術基礎,概述,技術基礎,技術基礎,結構動力學,響應分析,參數識別,載荷識別,技術基礎,單自由度系統,0,0,技術基礎,復合材料力學,復合材料力學是研究復合材料本身力學性質的學科，包括對材料剛度、強度等基本力學性能的分析。目前在衛星結構中應用的復合材料一般為纖維復合材料，它具有嚴重各向異性。,單向材料,層合材料,復合材料的鋪層方式有4個要素：層數，各層纖維角，各層厚度和各層排列順序。,技術基礎,復合材料力學,為了滿足復合材料剛度的要求，則不希望在復合材料的結構設計中出現拉彎耦合或拉剪耦合效應，因此復合材料的鋪設采用對稱方式設計。纖維復合材料的強度，包括各跟纖維或纖維束的強度和同一根纖維沿纖維方向的強度分布，基體和纖維因裂紋和缺陷所帶來的影響等，具有隨機性質，因此采用統計力學的方法可能會得到更好的結果。纖維多相對為脆性（承力），基體相對為韌性（保護、傳遞）。層合復合材料的強度分析一般采用首層破壞強度作為材料的破壞強度。,技術基礎,結構有限元法,衛星的結構分析目前主要采用有限元法，尤其是主要結構部件和整個衛星的結構分析。有限元的基本思路是：將連續體（場）離散為有限數目互相連接的單元體（場），并使單元體的特性集合能夠反映將連續體（場）的整體特性。,有限元分析過程,技術基礎,結構有限元法,技術基礎,結構優化方法,結構優化設計的數學命題包括三個部分：設計變量約束條件目標函數,技術基礎,計算機輔助設計方法,衛星計算機輔助,結構件的計算機輔助造型,零件造型,裝配,裝配品質檢查,二維工程設計,CAD質量分析,模型和圖形交換,機構的計算機輔助,機構分析幾何建模,機構的運動性,運動仿真,結果處理,結構有限元分析,零件分析,裝配結構的建模和運算,計算和后處理,制造一體化,CAM模型準備,模型轉換,數控編程,快速樣件制造,3,衛星結構設計,概述衛星結構的工作環境衛星結構的載荷分析衛星結構的設計要求衛星結構的方案設計衛星結構的詳細設計,衛星結構設計,衛星結構工作環境,衛星結構設計,衛星結構工作環境,地面環境：地面自然環境制造操作儲存運輸地面試驗,發射環境：起飛和地面噪聲最大氣動載荷穩態飛行級間分離整流罩分離星箭分離,軌道環境：真空熱輻射帶電粒子輻射紫外輻射原子核分子離子微流星和空間碎片,再入環境：再入氣動力和氣動熱返回沖擊,衛星結構設計,衛星結構的載荷分析,載荷源：穩態載荷源熱載荷源動力激勵源,載荷分類：靜載荷熱載荷動載荷,衛星結構的載荷：主結構載荷設計衛星的主結構收到的載荷在發射或返回階段最為嚴重，需考慮相應的環境進行主結構設計星載設備設計低頻瞬態載荷和隨機振動進行合理的組合,衛星結構設計,衛星結構的設計要求,基本要求是機構結構設計中必須始終遵循的要求；強制要求是由衛星系統以及其他系統所需的設計要求；導出要求是衛星各分系統提出的約束條件。,確定方案設計設計條件和基本構型構型設計主結構方案設計要求的確定次級結構方案設計要求的確定,選擇結構形式和材料結構形式的選擇結構材料的選擇結構連接方法的選擇,形成初步方案對結構進行初步設計和分析，確定結構整體布局,設計方案的比較和篩選比較的參數比較的方法,衛星結構設計,衛星結構的方案設計,結構設計的詳細步驟,確定結構連接的設計參數,確定各結構部件的設計參數,結構輪廓尺寸和艙段尺寸的確定,設計接口界面,進行故障模式影響分析,設計迭代和優化,繪制工程圖樣,提供相關的文件,衛星結構設計,衛星結構的詳細設計,衛星結構設計,衛星結構的詳細設計,復合材料的設計根據層狀復合材料的性能保證材料的正確使用強度驗證設計載荷的確定考慮衛星在制造和工作的所有載荷工況安全系數和驗證系數安全裕度評價結構的強度是否滿足要求,故障模式影響分析（FMEA）產品定義故障模式故障影響提高設計可靠性的措施,4,衛星結構材料,概述金屬材料復合材料結構材料的選擇結構材料的應用和發展,機械性能要求,低密度要求,高彈性模量，高強度，良好的韌性,材料可進行一次和二次加工，可適應結構材料的要求，并可進行檢驗。,材料的總質量損失不大于1%，收集揮發性冷凝物不大于0.1%。,較小的線膨脹系數，較高的比熱容，良好的額熱導率,減小衛星結構質量,衛星結構材料,概述,機械性能要求,材料真空出氣要求,制造工藝要求,材料的工作環境,低密度，良好的導電導熱性，成本低廉，良好的機加工性能,比強度和比模量較高，良好的導電導熱性，可承受較大沖擊載荷，良好的機加工性能,比強度高，抗腐蝕性能好，良好的抗疲勞性能以及高溫性能,高比模量以及較高的屈服強度，高溫機械性能好，比熱容大,金屬材料,鋁合金,鎂合金,鈦合金,鈹,衛星結構材料,金屬材料,復合材料,界面,增強纖維,基體,復合材料的加工工藝,手糊成型法真空袋烘箱成型法真空袋熱壓罐成型法模壓成型法纏繞成型法軟膜成型法樹脂傳遞模塑,衛星結構材料,復合材料,衛星結構材料,結構材料的選擇,材料選擇的原則：低密度高強度/剛度滿足要求的物理性能滿足制造工藝的材料材料成本材料狀態供貨條件加工條件,復合材料的優點：低密度高材料模量很高的材料強度材料的可設計性材料的熱穩定性材料的制造性能其他優良性能,衛星結構材料,結構材料的應用和發展,金屬間化合物（形狀記憶合金）具有優良的抗磨性和耐蝕性良好的制造性能高的阻尼特性,新型復合材料凱夫拉/環氧樹脂復合材料新型熱塑性樹脂金屬基復合材料,金屬基復合材料的優點：可提高材料的使用溫度復合材料的橫向、剪切強度較樹脂基復合材料有較大提高空間環境對金屬基復合材料的影響較小真空出氣率低可作為密封結構,5,衛星結構分析,概述結構分析模型的建立結構靜力分析結構模態分析結構動態響應分析結構熱變形及熱應力分析,中心任務,分析方法,對結構的力學特性進行定量評價。,結構的分析方法分為解析解法和數值解法。,衛星結構分析,概述,結構的詳細分析可以檢驗結構設計是否滿足要求，并可指導試驗，并對試驗進行預計。,結構理想化的實施結構傳力路徑分析有限元單元類型和網格劃分單元特性的定義,結構分析模型的建立,結構的理想化,建模需要考慮的問題,分析模型的檢驗,衛星結構分析,結構分析模型的建立,通過對構件受力和傳力中所起的作用、幾何尺寸以及構件的材料做出假設，使結構簡化,質量特性檢驗自由模態檢驗剛度檢查,研究范圍結構靜力分析，主要研究衛星結構在靜載或準靜載條件下的力學行為，解決結構的靜強度、剛度和穩定性問題。,研究目的通過獲得結構在設計載荷（靜載或準靜載）作用下的響應特性來指導和驗證結構構型設計和參數設計，驗證結構的強度和穩定性，進而減小結構質量。,載荷條件：運載火箭部門提出的準靜載條件運輸過程的準靜態載荷結構板的法向準靜態載荷以及艙體內外壓力載荷變軌機動載荷以及在軌熱載荷對返回式衛星，發射在載入過程存在熱載荷等,分析方法應用解析法有限元方法,衛星結構分析,結構靜力分析,衛星結構分析,結構靜力分析（解析法）,衛星結構分析,結構靜力分析（有限元法）,衛星結構分析,結構模態分析,衛星研制初期，除了滿足功能質量等要求外，還需滿足衛星模態要求。,結構模態分析在衛星研制的各個階段都是設計驗證的重要方法。,利用整星模態分析，可以合理的分配星載設備安裝剛度和星載設備固有頻率。,通過模態分析可以定性預計星載設備環境趨勢。,利用結構故障前后的模型對比，找出衛星結構故障。,結構頻率響應分析,衛星結構在基礎正弦激勵條件下的響應分析，把不同正弦頻率激勵下所得到的響應分析結果繪成曲線，就可以得到頻率響應曲線。,隨機振動不能用確定的函數來描述，但并不是毫無規律，它具有統計學意義上的規律。隨機振動可分為平穩隨機振動和非平穩隨機振動。,噪聲響應分析需要進行噪聲試驗，噪聲試驗的核心內容是考核衛星承受噪聲環境的能力并得到若干測點的加速度響應。目前除試驗手段外，尚無令人滿意的理論分析方法，基本上采用有限元分析和統計能量分析兩種方法。,由于結構瞬態響應和沖擊響應對衛星的影響不是很嚴重，因此在進行結構響應分析時可部分忽略。,衛星結構分析,結構動態響應分析,結構隨機振動響應分析,結構噪聲響應分析,結構瞬態響應和沖擊響應分析,衛星結構分析,結構熱效應,熱引起的結構運動,熱變形,熱彈性沖擊,熱振動,熱顫振,熱輾軋,熱變形：由溫度緩慢變化及其分布的不均勻性導致的結構產生的準靜態變形熱彈性沖擊：由溫度突變導致衛星上柔性結構產生的瞬態飛振蕩運動熱振動：由準靜態變形和周期振蕩運動疊加而成熱顫振：是結構的熱致非穩態振動響應熱輾軋：伸展機構元件間的熱黏附滑移運動可能導致結構的非線性運動,衛星結構分析,結構熱變形和熱應力分析,6,衛星結構設計的驗證,概述結構設計驗證的方法結構設計的驗證計劃結構靜強度的驗證結構動力特性的驗證,分析驗證,檢驗驗證,類比驗證,試驗驗證,衛星結構設計的驗證,結構設計的驗證方法,采用分析的方法對結構需要滿足的某些要求進行驗證。,對產品圖樣的技術條件進行的驗證。,與分析相結合來證明一個結構與另一個結構相似，而后者已經按等效的或更嚴格的準則進行了鑒定。,研制試驗鑒定試驗驗收試驗有效性確認試驗,前言。包括目的、范圍和定義,設計要求的簡要說明，包括基本要求和導出要求,驗證方法。包括驗證矩陣、驗證方法描述，以及用驗證流程來確定輸入、輸出和每隔主要工作內容的進度,驗證準則,衛星結構設計的驗證,結構設計的驗證方法,環境條件的簡要說明,參考資料和引用文件,衛星結構設計的驗證,結構靜強度的驗證,方案設計階段主要以靜力分析和局部結構的研究性試驗為主,初樣研制階段主要以結構靜力分析（強度校核）和主承力結構的鑒定試驗為主,正樣研制階段主要以結構靜力分析為主,為選擇設計方案、確定主承力結構的材料、截面尺寸等提供依據,避免因某些結構部件可能失效而影響整個結構試驗的進行,針對適應性修