衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析(上)ppt課件.ppt

衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析,馬佳2019.01.02,01概論,02技術(shù)基礎(chǔ),05衛(wèi)星結(jié)構(gòu)分析,04衛(wèi)星結(jié)構(gòu)材料,目錄Contents,03衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),06衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)證,1,衛(wèi)星結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)概論,衛(wèi)星結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)的功能衛(wèi)星結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)分類衛(wèi)星結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)研制程序,衛(wèi)星結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)概論,結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)功能,衛(wèi)星結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)概論,結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)和原則,三化：通用化、系列化、組合化,衛(wèi)星結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)概論,衛(wèi)星結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)的分類,結(jié)構(gòu)按照載荷分類主結(jié)構(gòu)和次結(jié)構(gòu)按照結(jié)構(gòu)分類承力結(jié)構(gòu)、密封結(jié)構(gòu)和防熱結(jié)構(gòu)按照部件形狀分類桿系結(jié)構(gòu)、板式結(jié)構(gòu)、殼體結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)壓緊釋放機(jī)構(gòu)展開機(jī)構(gòu)驅(qū)動機(jī)構(gòu)連接分離機(jī)構(gòu),研制程序,分析任務(wù)需求，提出初步方案設(shè)想，針對方案中的難點(diǎn)突出攻關(guān)項(xiàng)目,可行性論證階段,方案設(shè)計(jì)初步設(shè)計(jì)和分析方案驗(yàn)證方案評審,方案階段,初樣設(shè)計(jì)分析產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)過程制定驗(yàn)收規(guī)范制定試驗(yàn)規(guī)范鑒定試驗(yàn)初樣階段評審,初樣階段,正樣設(shè)計(jì)和正樣分析產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證出廠評審,正樣階段,衛(wèi)星結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)概論,衛(wèi)星結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)的研制程序,2,技術(shù)基礎(chǔ),概述結(jié)構(gòu)動力學(xué)復(fù)合材料學(xué)結(jié)構(gòu)有限元法結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法,結(jié)構(gòu)動力學(xué),復(fù)合材料,有限元法,結(jié)構(gòu)優(yōu)化,技術(shù)基礎(chǔ),概述,技術(shù)基礎(chǔ),技術(shù)基礎(chǔ),結(jié)構(gòu)動力學(xué),響應(yīng)分析,參數(shù)識別,載荷識別,技術(shù)基礎(chǔ),單自由度系統(tǒng),0,0,技術(shù)基礎(chǔ),復(fù)合材料力學(xué),復(fù)合材料力學(xué)是研究復(fù)合材料本身力學(xué)性質(zhì)的學(xué)科，包括對材料剛度、強(qiáng)度等基本力學(xué)性能的分析。目前在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的復(fù)合材料一般為纖維復(fù)合材料，它具有嚴(yán)重各向異性。,單向材料,層合材料,復(fù)合材料的鋪層方式有4個要素：層數(shù)，各層纖維角，各層厚度和各層排列順序。,技術(shù)基礎(chǔ),復(fù)合材料力學(xué),為了滿足復(fù)合材料剛度的要求，則不希望在復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)拉彎耦合或拉剪耦合效應(yīng)，因此復(fù)合材料的鋪設(shè)采用對稱方式設(shè)計(jì)。纖維復(fù)合材料的強(qiáng)度，包括各跟纖維或纖維束的強(qiáng)度和同一根纖維沿纖維方向的強(qiáng)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(jī)性質(zhì)，因此采用統(tǒng)計(jì)力學(xué)的方法可能會得到更好的結(jié)果。纖維多相對為脆性（承力），基體相對為韌性（保護(hù)、傳遞）。層合復(fù)合材料的強(qiáng)度分析一般采用首層破壞強(qiáng)度作為材料的破壞強(qiáng)度。,技術(shù)基礎(chǔ),結(jié)構(gòu)有限元法,衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)分析目前主要采用有限元法，尤其是主要結(jié)構(gòu)部件和整個衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)分析。有限元的基本思路是：將連續(xù)體（場）離散為有限數(shù)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(xù)體（場）的整體特性。,有限元分析過程,技術(shù)基礎(chǔ),結(jié)構(gòu)有限元法,技術(shù)基礎(chǔ),結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法,結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)命題包括三個部分：設(shè)計(jì)變量約束條件目標(biāo)函數(shù),技術(shù)基礎(chǔ),計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法,衛(wèi)星計(jì)算機(jī)輔助,結(jié)構(gòu)件的計(jì)算機(jī)輔助造型,零件造型,裝配,裝配品質(zhì)檢查,二維工程設(shè)計(jì),CAD質(zhì)量分析,模型和圖形交換,機(jī)構(gòu)的計(jì)算機(jī)輔助,機(jī)構(gòu)分析幾何建模,機(jī)構(gòu)的運(yùn)動性,運(yùn)動仿真,結(jié)果處理,結(jié)構(gòu)有限元分析,零件分析,裝配結(jié)構(gòu)的建模和運(yùn)算,計(jì)算和后處理,制造一體化,CAM模型準(zhǔn)備,模型轉(zhuǎn)換,數(shù)控編程,快速樣件制造,3,衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),概述衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的載荷分析衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì),衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),衛(wèi)星結(jié)構(gòu)工作環(huán)境,衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),衛(wèi)星結(jié)構(gòu)工作環(huán)境,地面環(huán)境：地面自然環(huán)境制造操作儲存運(yùn)輸?shù)孛嬖囼?yàn),發(fā)射環(huán)境：起飛和地面噪聲最大氣動載荷穩(wěn)態(tài)飛行級間分離整流罩分離星箭分離,軌道環(huán)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(huán)境：再入氣動力和氣動熱返回沖擊,衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的載荷分析,載荷源：穩(wěn)態(tài)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(wèi)星結(jié)構(gòu)的載荷：主結(jié)構(gòu)載荷設(shè)計(jì)衛(wèi)星的主結(jié)構(gòu)收到的載荷在發(fā)射或返回階段最為嚴(yán)重，需考慮相應(yīng)的環(huán)境進(jìn)行主結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)星載設(shè)備設(shè)計(jì)低頻瞬態(tài)載荷和隨機(jī)振動進(jìn)行合理的組合,衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求,基本要求是機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須始終遵循的要求；強(qiáng)制要求是由衛(wèi)星系統(tǒng)以及其他系統(tǒng)所需的設(shè)計(jì)要求；導(dǎo)出要求是衛(wèi)星各分系統(tǒng)提出的約束條件。,確定方案設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)條件和基本構(gòu)型構(gòu)型設(shè)計(jì)主結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)要求的確定次級結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)要求的確定,選擇結(jié)構(gòu)形式和材料結(jié)構(gòu)形式的選擇結(jié)構(gòu)材料的選擇結(jié)構(gòu)連接方法的選擇,形成初步方案對結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)和分析，確定結(jié)構(gòu)整體布局,設(shè)計(jì)方案的比較和篩選比較的參數(shù)比較的方法,衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的詳細(xì)步驟,確定結(jié)構(gòu)連接的設(shè)計(jì)參數(shù),確定各結(jié)構(gòu)部件的設(shè)計(jì)參數(shù),結(jié)構(gòu)輪廓尺寸和艙段尺寸的確定,設(shè)計(jì)接口界面,進(jìn)行故障模式影響分析,設(shè)計(jì)迭代和優(yōu)化,繪制工程圖樣,提供相關(guān)的文件,衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì),衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì),復(fù)合材料的設(shè)計(jì)根據(jù)層狀復(fù)合材料的性能保證材料的正確使用強(qiáng)度驗(yàn)證設(shè)計(jì)載荷的確定考慮衛(wèi)星在制造和工作的所有載荷工況安全系數(shù)和驗(yàn)證系數(shù)安全裕度評價結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是否滿足要求,故障模式影響分析（FMEA）產(chǎn)品定義故障模式故障影響提高設(shè)計(jì)可靠性的措施,4,衛(wèi)星結(jié)構(gòu)材料,概述金屬材料復(fù)合材料結(jié)構(gòu)材料的選擇結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用和發(fā)展,機(jī)械性能要求,低密度要求,高彈性模量，高強(qiáng)度，良好的韌性,材料可進(jìn)行一次和二次加工，可適應(yīng)結(jié)構(gòu)材料的要求，并可進(jìn)行檢驗(yàn)。,材料的總質(zhì)量損失不大于1%，收集揮發(fā)性冷凝物不大于0.1%。,較小的線膨脹系數(shù)，較高的比熱容，良好的額熱導(dǎo)率,減小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)質(zhì)量,衛(wèi)星結(jié)構(gòu)材料,概述,機(jī)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(huán)境,低密度，良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性，成本低廉，良好的機(jī)加工性能,比強(qiáng)度和比模量較高，良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性，可承受較大沖擊載荷，良好的機(jī)加工性能,比強(qiáng)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(qiáng)度，高溫機(jī)械性能好，比熱容大,金屬材料,鋁合金,鎂合金,鈦合金,鈹,衛(wèi)星結(jié)構(gòu)材料,金屬材料,復(fù)合材料,界面,增強(qiáng)纖維,基體,復(fù)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(wèi)星結(jié)構(gòu)材料,復(fù)合材料,衛(wèi)星結(jié)構(gòu)材料,結(jié)構(gòu)材料的選擇,材料選擇的原則：低密度高強(qiáng)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(tài)供貨條件加工條件,復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)：低密度高材料模量很高的材料強(qiáng)度材料的可設(shè)計(jì)性材料的熱穩(wěn)定性材料的制造性能其他優(yōu)良性能,衛(wèi)星結(jié)構(gòu)材料,結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用和發(fā)展,金屬間化合物（形狀記憶合金）具有優(yōu)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(fù)合材料凱夫拉/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料新型熱塑性樹脂金屬基復(fù)合材料,金屬基復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)：可提高材料的使用溫度復(fù)合材料的橫向、剪切強(qiáng)度較樹脂基復(fù)合材料有較大提高空間環(huán)境對金屬基復(fù)合材料的影響較小真空出氣率低可作為密封結(jié)構(gòu),5,衛(wèi)星結(jié)構(gòu)分析,概述結(jié)構(gòu)分析模型的建立結(jié)構(gòu)靜力分析結(jié)構(gòu)模態(tài)分析結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)分析結(jié)構(gòu)熱變形及熱應(yīng)力分析,中心任務(wù),分析方法,對結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性進(jìn)行定量評價。,結(jié)構(gòu)的分析方法分為解析解法和數(shù)值解法。,衛(wèi)星結(jié)構(gòu)分析,概述,結(jié)構(gòu)的詳細(xì)分析可以檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否滿足要求，并可指導(dǎo)試驗(yàn)，并對試驗(yàn)進(jìn)行預(yù)計(jì)。,結(jié)構(gòu)理想化的實(shí)施結(jié)構(gòu)傳力路徑分析有限元單元類型和網(wǎng)格劃分單元特性的定義,結(jié)構(gòu)分析模型的建立,結(jié)構(gòu)的理想化,建模需要考慮的問題,分析模型的檢驗(yàn),衛(wèi)星結(jié)構(gòu)分析,結(jié)構(gòu)分析模型的建立,通過對構(gòu)件受力和傳力中所起的作用、幾何尺寸以及構(gòu)件的材料做出假設(shè)，使結(jié)構(gòu)簡化,質(zhì)量特性檢驗(yàn)自由模態(tài)檢驗(yàn)剛度檢查,研究范圍結(jié)構(gòu)靜力分析，主要研究衛(wèi)星結(jié)構(gòu)在靜載或準(zhǔn)靜載條件下的力學(xué)行為，解決結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性問題。,研究目的通過獲得結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)載荷（靜載或準(zhǔn)靜載）作用下的響應(yīng)特性來指導(dǎo)和驗(yàn)證結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)和參數(shù)設(shè)計(jì)，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，進(jìn)而減小結(jié)構(gòu)質(zhì)量。,載荷條件：運(yùn)載火箭部門提出的準(zhǔn)靜載條件運(yùn)輸過程的準(zhǔn)靜態(tài)載荷結(jié)構(gòu)板的法向準(zhǔn)靜態(tài)載荷以及艙體內(nèi)外壓力載荷變軌機(jī)動載荷以及在軌熱載荷對返回式衛(wèi)星，發(fā)射在載入過程存在熱載荷等,分析方法應(yīng)用解析法有限元方法,衛(wèi)星結(jié)構(gòu)分析,結(jié)構(gòu)靜力分析,衛(wèi)星結(jié)構(gòu)分析,結(jié)構(gòu)靜力分析（解析法）,衛(wèi)星結(jié)構(gòu)分析,結(jié)構(gòu)靜力分析（有限元法）,衛(wèi)星結(jié)構(gòu)分析,結(jié)構(gòu)模態(tài)分析,衛(wèi)星研制初期，除了滿足功能質(zhì)量等要求外，還需滿足衛(wèi)星模態(tài)要求。,結(jié)構(gòu)模態(tài)分析在衛(wèi)星研制的各個階段都是設(shè)計(jì)驗(yàn)證的重要方法。,利用整星模態(tài)分析，可以合理的分配星載設(shè)備安裝剛度和星載設(shè)備固有頻率。,通過模態(tài)分析可以定性預(yù)計(jì)星載設(shè)備環(huán)境趨勢。,利用結(jié)構(gòu)故障前后的模型對比，找出衛(wèi)星結(jié)構(gòu)故障。,結(jié)構(gòu)頻率響應(yīng)分析,衛(wèi)星結(jié)構(gòu)在基礎(chǔ)正弦激勵條件下的響應(yīng)分析，把不同正弦頻率激勵下所得到的響應(yīng)分析結(jié)果繪成曲線，就可以得到頻率響應(yīng)曲線。,隨機(jī)振動不能用確定的函數(shù)來描述，但并不是毫無規(guī)律，它具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的規(guī)律。隨機(jī)振動可分為平穩(wěn)隨機(jī)振動和非平穩(wěn)隨機(jī)振動。,噪聲響應(yīng)分析需要進(jìn)行噪聲試驗(yàn)，噪聲試驗(yàn)的核心內(nèi)容是考核衛(wèi)星承受噪聲環(huán)境的能力并得到若干測點(diǎn)的加速度響應(yīng)。目前除試驗(yàn)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(tǒng)計(jì)能量分析兩種方法。,由于結(jié)構(gòu)瞬態(tài)響應(yīng)和沖擊響應(yīng)對衛(wèi)星的影響不是很嚴(yán)重，因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析時可部分忽略。,衛(wèi)星結(jié)構(gòu)分析,結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)分析,結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動響應(yīng)分析,結(jié)構(gòu)噪聲響應(yīng)分析,結(jié)構(gòu)瞬態(tài)響應(yīng)和沖擊響應(yīng)分析,衛(wèi)星結(jié)構(gòu)分析,結(jié)構(gòu)熱效應(yīng),熱引起的結(jié)構(gòu)運(yùn)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(dǎo)致的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的準(zhǔn)靜態(tài)變形熱彈性沖擊：由溫度突變導(dǎo)致衛(wèi)星上柔性結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的瞬態(tài)飛振蕩運(yùn)動熱振動：由準(zhǔn)靜態(tài)變形和周期振蕩運(yùn)動疊加而成熱顫振：是結(jié)構(gòu)的熱致非穩(wěn)態(tài)振動響應(yīng)熱輾軋：伸展機(jī)構(gòu)元件間的熱黏附滑移運(yùn)動可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的非線性運(yùn)動,衛(wèi)星結(jié)構(gòu)分析,結(jié)構(gòu)熱變形和熱應(yīng)力分析,6,衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的驗(yàn)證,概述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)證的方法結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的驗(yàn)證計(jì)劃結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度的驗(yàn)證結(jié)構(gòu)動力特性的驗(yàn)證,分析驗(yàn)證,檢驗(yàn)驗(yàn)證,類比驗(yàn)證,試驗(yàn)驗(yàn)證,衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的驗(yàn)證,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的驗(yàn)證方法,采用分析的方法對結(jié)構(gòu)需要滿足的某些要求進(jìn)行驗(yàn)證。,對產(chǎn)品圖樣的技術(shù)條件進(jìn)行的驗(yàn)證。,與分析相結(jié)合來證明一個結(jié)構(gòu)與另一個結(jié)構(gòu)相似，而后者已經(jīng)按等效的或更嚴(yán)格的準(zhǔn)則進(jìn)行了鑒定。,研制試驗(yàn)鑒定試驗(yàn)驗(yàn)收試驗(yàn)有效性確認(rèn)試驗(yàn),前言。包括目的、范圍和定義,設(shè)計(jì)要求的簡要說明，包括基本要求和導(dǎo)出要求,驗(yàn)證方法。包括驗(yàn)證矩陣、驗(yàn)證方法描述，以及用驗(yàn)證流程來確定輸入、輸出和每隔主要工作內(nèi)容的進(jìn)度,驗(yàn)證準(zhǔn)則,衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的驗(yàn)證,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的驗(yàn)證方法,環(huán)境條件的簡要說明,參考資料和引用文件,衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的驗(yàn)證,結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度的驗(yàn)證,方案設(shè)計(jì)階段主要以靜力分析和局部結(jié)構(gòu)的研究性試驗(yàn)為主,初樣研制階段主要以結(jié)構(gòu)靜力分析（強(qiáng)度校核）和主承力結(jié)構(gòu)的鑒定試驗(yàn)為主,正樣研制階段主要以結(jié)構(gòu)靜力分析為主,為選擇設(shè)計(jì)方案、確定主承力結(jié)構(gòu)的材料、截面尺寸等提供依據(jù),避免因某些結(jié)構(gòu)部件可能失效而影響整個結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的進(jìn)行,針對適應(yīng)性修