展开太阳帆索膜结构非线性应力及模态分析
发布时间:2021年9月22日 点击数:1546
太阳帆航天器, 由于其在完成各种复杂的未来太空探索任务上具有传统航天器无法比拟的优势, 而受到国内外广泛关注。日本的IKAROS和美国Nano Sail-D2的成功飞行, 验证了太阳帆作为太空推进系统的可行性。在大量提出的太阳帆航天器的概念中, 具有“系绳-自旋”结构的太阳帆航天器是最具吸引力的。该构型方案采用离心力和柔性绳索张紧帆膜, 由于帆膜和柔性绳索力学行为的非线性, 张紧状态太阳帆结构的应力和模态分析也极具挑战性。论文利用有限元数值模拟分析软件ABAQUS对具有超薄帆膜及张紧系绳的太阳帆结构进行非线性分析, 主要研究系绳的张紧力以及系绳与太阳帆膜连接方式对结构的变形以及振动频率的影响。计算的太阳帆膜由四块三角形帆膜进行组成, 采用四边形和三角形板单元进行建模, 系绳采用杆单元模拟。考虑结构的初始几何缺陷的影响, 采用非线性静力分析方法计算结构的离心力和光压作用下的应力-应变状态, 确定了结构变形。初始几何缺陷由线性屈曲特征值分析确定的前三阶整体屈曲模态得到。同时分析了分析太阳帆膜在工作条件下的固有模态特性。对不同系绳连接方式、不同太阳帆姿态和不同离心力条件下的太阳帆结构进行了分析。结果表明:本文采用的多步非线性计算方法能够较好地确定太阳帆展开状态的应力和变形状态, 给出整体模态的估计;系绳与帆膜的连接方式对结构有重要影响, 选择合适的连接点及连接位置能够优化结构的受力状态。
