衛(wèi)星結(jié)構(gòu)板優(yōu)化設(shè)計

陳有梅 余成鋒

摘要：

利用MSC Patran對某板式衛(wèi)星結(jié)構(gòu)進行有限元建模，采用MSC Nastran對衛(wèi)星進行模態(tài)分析，獲取整星結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，并與試驗結(jié)果進行比對，驗證有限元模型的正確性和準確度。在滿足結(jié)構(gòu)強度和剛度的約束條件下，對安裝有效載荷單機的關(guān)鍵底板進行剛度和強度優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)的有限元仿真分析表明：優(yōu)化設(shè)計可有效抑制載荷單機處的振動位移響應(yīng)。

關(guān)鍵詞：

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

中圖分類號： V423.4

文獻標志碼： 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，運載發(fā)射過程中星箭界面的振動和沖擊載荷無疑是對衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的最大考驗。據(jù)統(tǒng)計，過半的飛行器故障都是由振動和沖擊造成的。對于板式衛(wèi)星，結(jié)構(gòu)板的剛度和強度直接影響衛(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)計對衛(wèi)星的正常工作十分重要，與運載直接連接的衛(wèi)星底板更是設(shè)計中的重中之重。衛(wèi)星底板的優(yōu)化設(shè)計一直是衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計人員關(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)計已成為主要的優(yōu)化設(shè)計途徑。[810]

本文基于有限元分析對某型號衛(wèi)星底板進行優(yōu)化設(shè)計。利用MSC Patran建立衛(wèi)星的有限元模型、采用MSC Nastran對衛(wèi)星進行模態(tài)分析，并將分析結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比，驗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)果對衛(wèi)星底板的預(yù)埋承力環(huán)進行優(yōu)化設(shè)計，并對優(yōu)化后的載荷安裝板進行二次分析，以測點之間的傳遞效率為研究對象，將分析結(jié)果進行對比，驗證優(yōu)化效果。

1 整星有限元模型

利用MSC Patran對衛(wèi)星進行有限元建模。采用4節(jié)點層合殼單元模擬鋁蜂窩安裝板，梁單元模擬承力框架結(jié)構(gòu)，質(zhì)量點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，并簡化成對應(yīng)節(jié)點合并；在儀器設(shè)備連接部位的連接件節(jié)點間采用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算實用性；結(jié)構(gòu)件參數(shù)化；結(jié)構(gòu)細節(jié)簡化。整星有限元模型共有386 537個單元、429 997個節(jié)點。

2 有限元模型驗證

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)心與實測結(jié)果一致。初始設(shè)計得到的整星有限元模型1階X向彎曲振動頻率為32.0 Hz，試驗測得的相同振型模態(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%，證明模型準確可信。

3 底板局部結(jié)構(gòu)的初始設(shè)計和分析

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。底板載荷單機安裝點位置見圖2，2個安裝點安裝螺釘孔在承力環(huán)上，其余4個安裝點埋件單獨埋在蜂窩板內(nèi)。

對底板進行有限元建模，安裝點位置見圖3，其中：2個承力環(huán)上的安裝點對應(yīng)節(jié)點編號為63和76；其余4個埋件對應(yīng)節(jié)點標號分別為43859、43872、59180807和59180810。

按照衛(wèi)星坐標系分別對上述有限元模型進行5～200 Hz正弦掃頻分析，掃頻速率為2 oct/min。X、Y、Z向激勵時，以節(jié)點63作為參考點，其余5個節(jié)點相對于節(jié)點63的相對位移（考慮相位信息）曲線分別見圖4～6。由此可知，載荷單機安裝界面的各安裝點的動態(tài)位移不一致，承力環(huán)上的安裝點位移較小，距離底板中心點較近的2個節(jié)點響應(yīng)較大。載荷單機安裝面的3個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向載荷激勵時，載荷單機安裝面的變形較嚴重。安裝面變形不均勻主要由安裝界面剛度不均勻引起。2個底板承力環(huán)上的安裝腳剛度一致性較好，其余4個預(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)計在工程試驗中經(jīng)歷X、Y、Z向正弦振動以及X、Y、Z向隨機振動，由于位移過大導(dǎo)致疲勞破壞。試驗結(jié)束后，測試載荷單機安裝面的變形為0.2 mm，并引起載荷單機內(nèi)部關(guān)鍵部位變形，導(dǎo)致載荷單機的功能受到影響。

4 底板局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

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

5 數(shù)據(jù)對比分析

對底板預(yù)埋承力環(huán)進行優(yōu)化設(shè)計后，整星模態(tài)計算分析結(jié)果表明：優(yōu)化設(shè)計對整體結(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)化后載荷單機界面的最大相對變形量為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的相對位移均減小。以初始響應(yīng)最大值出現(xiàn)的頻率點作為參數(shù)，界面變形改善情況對比見圖12～17，其中X、Y、Z單個方向頻率分別為150、108和66 Hz。由此可知，載荷單機界面的變形條件有很大改善，符合載荷單機的安裝要求。

6 試驗驗證

優(yōu)化設(shè)計后進行力學(xué)試驗的驗證，分別布置測點0、1、2、3（見圖18），測試4個測點的加速度和位移。測點1、2、3在X、Y、Z向相對測點0的位移分別見圖19～21，載荷單機安裝面的變形得到明顯改善，相對變形量最大為0.08 mm。該優(yōu)化設(shè)計方案在工程試驗中經(jīng)歷X、Y、Z向正弦振動以及X、Y、Z

向隨機振動，在試驗結(jié)束后測得載荷單機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

建立準確可信的衛(wèi)星有限元模型，通過對衛(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，對抑制載荷單機安裝界面處的相對位移提出較優(yōu)的設(shè)計方案。考核衛(wèi)星經(jīng)受動力學(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)計階段，分析其結(jié)構(gòu)組件動力學(xué)環(huán)境，可提高設(shè)計可靠性。

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（編輯 付宇靚）