卫星有效载荷力学特性有限元仿真

摘要:为保证卫星有效载荷仿真计算的可行性和精度、提高仿真效率,预测有效载荷在相应力学环境下的响应,用HyperMesh 8.0划分整机的有限元模型网格,用MSC Nastran 2005计算和分析有效载荷的过载特性、频率响应特性、冲击和随机振动. 该方法对保证卫星有效载荷仿真计算的可行性和精度、提高仿真效率有重要作用;可以有效预测卫星有效载荷对力学环境的响应,较全面评估设计,进而指导改进设计.

关键词:卫星有效载荷; 有限元分析; 力学特性; 整机; HyperMesh; MSC Nastran

中图分类号:V423.4;V414.1;TB115文献标志码:A

Finite element simulation on mechanics characteristics of

satellite payload

XU Guangzhoua, RUAN Pinga, WANG Hongweia, b, LI Fua

(a. Xi’an Institute of Optics & Precision Mechanics, Xi’an 710119, China;

b. Graduate School Beijing 100039, China, Chinese Academy of Sci.)

Abstract: To ensure the feasibility and precision of satellite payload simulation and improve the simulation efficiency, the response of the payload under the related mechanics environment is predicted, the finite element model of the whole machine is meshed by HyperMesh 8.0, and the overload, frequency response, impact and random vibration are calculated and analyzed by MSC Nastran 2005. The method is important to ensure the feasibility and precision of satellite payload simulation and improve the simulation efficiency. It can effectively predict the mechanics environment response of satellite payload, evaluate design completely, and improve the design.

Key words: satellite payload; finite element analysis; mechanics characteristic; whole machine;HyperMesh;MSC Nastran

收稿日期:2009-[KG*9〗06-[KG*9〗22修回日期:2009-[KG*9〗09-[KG*9〗11

作者简介: 徐广州(1980—),男,山东广饶人,工程师,硕士,研究方向为飞行器有效载荷CAE仿真技术,(E-mail)xgz_buaa@sina.com;

阮萍(1967—),女,陕西西安人,研究员,博士,研究方向为空间光学精密仪器研制,(E-mail)ruanp@opt.ac.cn0引言

卫星有效载荷(以下简称“有效载荷”)是具有机、电、热、控制和信息处理等综合性技术的精密仪器,其发射条件和工作工况十分苛刻,除了受到发射和运输过程中的过载、失重、冲击振动等力学载荷外,还受到环境温度变化等热载荷作用.其中,力学载荷对有效载荷性能有重要影响:良好的强度特性可以保证有效载荷承受外载而不被破坏;良好的刚度特性可以保证有效载荷有效抵抗动、静态载荷下的变形,使振动、颤振或失稳处于设计范围之内.所以,对有效载荷力学特性研究在有效载荷的设计、运输、发射和在轨工作等阶段具有重要作用,并且对整个卫星系统也有一定的积极意义.[1]

通常情况下,有效载荷在发射时承受的力学载荷环境最为苛刻,该环境仿真主要包括静力过载、低频频率响应、冲击和宽带随机振动等4类激励.

基于有限元法的有效载荷力学特性仿真需要将物理模型离散成由有限单元组成的数学模型后进行数值仿真计算,并且有效载荷整机有限元模型的建立对保证仿真精度和提高仿真效率有很大影响.对于目前普遍采用的商业求解器,前处理过程占据的仿真时间较多,所以对有效载荷整机有限元模型建模方法的探讨是力学特性仿真的重要组成部分.

1整机有限元建模

有效载荷有限元建模主要是建立整机有限元模型,该过程与单个零件和组件建立有限元模型处理方法稍有不同,其特点为:由多个零件装配而成,而且装配形式多样.故整机CAD模型到CAE模型建立方面要复杂于单个零件和小规模组件的建模,因此装配关系的有限元建模在整机模型建立过程中显得尤为重要.根据仿真问题力学环境和仿真目的等不同,在处理装配关系时有限单元选择也各异.线性小变形仿真装配模拟可以选择RBE2(MSC Patran)或CERIG(ANSYS)等效螺钉装配关系;若考虑连接局部细节问题,则需要考虑接触单元模拟装配连接等.仅考虑质量特性的单元可以使用质量单元进行零部件简化.另外,单元类型、单元尺寸、部件以及有限元模型简化策略等也需要规划.

现在商业前处理器众多,选择适合业内使用的前处理器可有效提高有限元模型建模效率,多种前处理器的混合使用在提高建模效率方面也不错.

2有效载荷力学特性仿真

可将有效载荷仿真力学环境近似等效发射过程力学环境,一般从卫星建造规范或载荷振动试验大纲上获得.通常,力学环境主要包括加速度过载、频率响应、冲击和随机振动;它们对应MSC Nastran求解器下的静力分析、频率响应分析、瞬态动力学分析或冲击谱分析和随机振动分析.通过上述力学环境仿真可以考察有效载荷本身的强度和刚度特性,判断其是否可以承受发射时的力学载荷,做好设计阶段评估工作.

加速度过载分析考察有效载荷发射时对惯性载荷的承受能力,在仿真分析时以惯性载荷方式施加.

作为考察结构激励的稳态响应,有效载荷频率响应特性主要考察有效载荷对低频载荷激励的响应情况,一般为100 Hz范围以内的激励.激励通常以位移和加速度形式给出,且多为分段频域函数;仿真设置时可以将各激励定义为独立载荷步,后续可1次或分别求解定义载荷步.

有效载荷在发射阶段和火箭级间分离等阶段会受到冲击载荷作用,试验阶段对有效载荷的冲击载荷考察主要为时域瞬态动力学冲击或频域冲击谱冲击,后者对冲击试验的考察覆盖面更广.[2-3]在MSC Nastran求解器中对应的仿真类型为瞬态动力学分析和冲击谱分析.对于半正弦时域冲击载荷可以方便地在MSC Patran中定义Field实现,然后施加与Field相关的激励.对冲击谱仿真的定义可以在获得模态分析数据文件基础上,在执行数据段、工况数据段和模型数据段中添加相应卡片完成.

由于随机振动激励的不确定性,无法通过确定的函数关系描述各时刻数值,且在测试过程中难以确切控制和预测,激励和响应都是在某些统计规律性基础上加以定义的.[4-5]随机振动激励通常以功率谱密度加以描述,在MSC Nastran求解器中,随机振动仿真分析通常作为频率响应分析的后处理,在得到频率响应分析结果基础上,在随机振动模块下再引入激励的功率谱密度进行后处理得到随机振动的响应. [6]

3有效载荷仿真示例

以某有效载荷为例,说明整机有限元建模过程、力学载荷示例和相应力学载荷下的仿真结果和结论.

3.1整机有限元模型

该有效载荷主要由光学组件、电控箱组件和电子学组件组成.由于其组件和零件数目较少,零件模型相对规则,所以光学镜筒、镜片和电控箱使用实体单元,PCB板模型使用壳单元,整机模型未进行零部图 1整机有限元模型

件数目简化;模拟螺钉装配关系使用RBE2单元.整机有限元模型共包括19 424个节点和13 125个单元,见图1.为保证建模精度,对模型质量、重心位置和相对重心转动惯量与CAD模型进行校验:质量误差为0.21%,重心位置坐标分量最大误差为5.3%,转动惯量坐标分量最大误差为7.4%.有限元模型网格在HyperMesh 8.0下完成,求解器为MSC Nastran 2005,后处理在MSC Patran 2005中进行.

3.2力学特性仿真

3.2.1加速度过载分析

在整机有限元模型单元的相应方向上施加惯性载荷,见表1.

表 1惯性载荷载荷类型大小方向加速度9gx,y,z向

由于篇幅关系只给出在x向过载下的最大位移和应力响应云图,见图2和3,其余方向给出仿真结论.

图 2惯性载荷下x向位移响应云图

图3惯性载荷下x向应力响应云图

由图2和3可知:x和y向过载时,最大变形发生在遮光罩处,最大应力发生在第1块电路板与箱体的连接螺钉处;z向过载时,最大变形发生在第2块PCB板上,最大应力同样发生在箱体连接螺钉处.3个方向应力值都小于5 MPa,过载应力值远小于材料许用应力,有效载荷在惯性载荷作用下校核安全.

3.2.2频率响应分析

低频载荷见表2.载荷特点为100 Hz以内4个分段频域函数激励,激励包含位移和加速度.在MSC Patran中进行上述频率响应前处理时,通常需要建立对应4个频率范围的4个载荷步,求解时可1次或分别求解4个载荷步.图4~6给出在表2激励下,图1中有限元模型所示测点的加速度响应、位移响应和应力响应曲线.

表 2低频载荷频率范围/Hz振动量级方向10~206.2 mm20~3510g 35~6515g65~1008gz向

图 4低频载荷激励下加速度响应曲线

图 5低频载荷激励下位移响应曲线

图 6低频载荷激励下应力响应曲线

在保证有限元模型精度情况下,对示例有效载荷进行模态分析,得到其基频为604.83 Hz,基频较高.由图4~6可以看出有效载荷表现出的动态效应较小,这可以从加速度响应曲线得到验证,加速度响应趋势基本与激励载荷一致,有效载荷表现出准刚体的特征;位移响应随激励的衰减而逐步衰减;应力响应随测点的不同表现出较大差异,在连接螺钉孔附近应力分布较为集中且较大,测点von Mises应力小于50 MPa,其响应小于材料许用应力;在低频载荷激励下有效载荷强度校核安全.

3.2.3瞬态动力学分析

时域冲击载荷见表3.进行求解时选取加载时间为10 ms,求解时间为50 ms.

表 3时域冲击载荷冲击脉冲波形冲击脉冲加速度脉冲持续时间冲击方向近似半正弦波50g6~10 msz向

在表3所示激励下,图1中有限元模型所示测点的加速度响应和应力响应曲线见图7和8.

图 7时域冲击载荷下加速度响应曲线

图 8时域冲击载荷下应力响应曲线

因为此有效载荷基频较高,由图7和8也可以看出,示例有效载荷准刚体特性显著,加速度和应力响应曲线趋势与激励吻合;在z向冲击条件下,后盖上测点应力较大,求解结果小于1 MPa,小于有效载荷本身材料许用应力,强度校核安全.

3.2.4随机振动分析

随机振动载荷,激励以加速度功率谱密度形式给出,见表4.根据表4数据可以方便计算10 Hz时功率谱密度为3.2E-4 g2/Hz,2 000 Hz加速度功率谱密度为3.97E-2 g2/Hz.将表4中数据定义成Field后,可以在MSC Patran中的随机振动模块下方便地引用添加.

表 4加速度功率谱密度频率区间/Hzz向功率谱密度10~200+6 dB/oct200~1 5000.125 g2/Hz1 500~2 000-12 dB/oct在表4激励下,图1中有限元模型所示测点的加速度和位移功率谱密度响应曲线及加速度和位移均方根曲线见图9~12.

图 9随机振动载荷激励下测点加速度功率谱密度曲线

图 10随机振动载荷激励下测点加速度均方根曲线

图 11随机振动载荷激励下测点z向位移功率谱密度曲线

图 12测点z向位移均方根曲线

由图9和11可以看出,加速度响应分布在基频之前近似呈现递增,相应地能量分布主要集中在固有频率附近的频段内,且不同频率下响应分布有所波动;由图10和12得到响应统计分布的有效值,响应数值大小根据测点不同有所差异.位移功率谱密度响应呈下降趋势,某些测点高频响应略有波动.位移均方根给出响应统计有效值的大小,数量级为10-5,测点位移响应较小.

4结论

该卫星有效载荷整机有限元模型建立方法可以提高仿真效率,保证仿真计算可行性和仿真精度.较全面的有效载荷力学特性仿真可以有效预测有效载荷在相应力学环境下的响应,对仪器结构形式设计、评估设计合理性和设计定量、定性控制等方面也有积极的指导作用.

参考文献:

[1]刘雍, 张朋军, 孙丽崴, 等. 空间相机结构件的振动试验仿真[J]. 计算机辅助工程, 2006, 15(S1): 367-369.

[2]穆瑞忠, 张建华, 皮本楼. 航天器的冲击谱模拟试验方法[J]. 强度与环境, 2008, 35(5): 32-37.

[3]张华, 吴斌. 航天器爆炸冲击环境模拟装置仿真研究[J]. 计算机仿真, 2008, 25(2): 61-64.

[4]师汉民. 机械振动系统——分析•测试•建模•对策[M]. 武汉: 华中科技大学出版社, 2006: 150-172.

[5]方同. 工程随机振动[M]. 北京: 国防工业出版社, 1995: 1-6.

[6]杨剑, 张璞, 陈火红. 新编MD Nastran有限元实例教程[M]. 北京: 机械工业出版社, 2008: 96-101.

(编辑于杰)

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