太阳能帆板传热与振动研究

【摘要】： 航天器太阳能帆板在外层空间受到太阳等星体的辐射循环加热,高低温下的热变形和热振动对帆板结构的安全可靠性有着重要影响。漂移的太空垃圾可能与太阳能帆板发生碰撞,帆板结构的动力学特性也是设计需要考虑的重要指标。本文以Thornton理论为热分析理论基础,利用Marc有限元软件,首先对哈勃太空望远镜太阳能帆板主梁在太阳光照下升温以及处于地球阴影向外层空间辐射散热降温的温度场进行了模拟计算,得到了主梁的温度场,同时模拟计算了主梁的热变形和热应力,本文的计算结果与已有理论解、数值解符合较好。利用Marc软件实施了主梁在材料弹性模量和密度随温度变化条件下的模态分析,研究了主梁悬臂端在点载荷作用下的动态响应。最后,模拟计算了太阳能帆板整体的循环变化温度场、随温度变化的动态响应,重点研究了太阳能帆板在太空垃圾的碰撞作用下的动态响应。 通过上述研究,本文得到如下主要结果： (1)升温过程中,太阳能帆板主梁的温度场在日照开始大约15分钟趋于稳定,稳定状态的最高温度为158.4℃,最低温度为116.6℃,平均温度为130℃左右。降温过程中,太阳能帆板主梁大概在150秒左右截面温差小于0.1℃,主梁截面的温度大概在1000秒左右和外界环境温度趋于相同。 (2)当太阳能帆板主梁受到太阳光照时,其截面温度分布为正弦分布,在日照开始15分钟内,整体温度呈上升趋势,15分钟以后主梁吸收和向外辐射的热量相等,整个主梁的温度场达到稳态。 (3)当主梁的密度和弹性模量随温度的升高而降低时,主梁的各阶固有频率也相应的降低；密度和弹性模量不随温度变化时,温度变化对主梁固有频率的影响微小。 (4)太阳能帆板整体的模拟计算表明,太阳能帆板整体的固有频率很低,为一典型的柔性结构。一个温度周期条件下的动态响应实际上是主梁截面温差引起热变形所致,动态响应的速度、加速度都很小。 (5)本文模拟计算了太阳能帆板整体在外太空某一时刻遭遇脉冲载荷,例如太空垃圾对帆板的碰撞作用时的动态响应,得到了位移、速度和加速度随时间的变化规律,同时给出了帆板主梁最大应力区域的应力随时间的变化规律,帆板有显著的扭转变形。 【关键词】：太阳能帆板 温度场 热变形 动态响应 碰撞
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：V414.1
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-17
• 1.1 论文研究的背景及意义11-12
• 1.2 国内外研究现状12-16
• 1.2.1 航天器太阳能帆板的研究12-13
• 1.2.2 太阳能帆板的温度场分析13-15
• 1.2.3 太阳能帆板热振动的研究15-16
• 1.3 本文的工作16-17
• 第2章 帆板主梁温度场的模拟和计算17-33
• 2.1 Thornton理论热分析18-19
• 2.2 Marc热传导分析基本原理19-23
• 2.2.1 热传导问题的数学描述20-21
• 2.2.2 热传导问题的有限元法21-23
• 2.3 基于Marc的温度场分析23-25
• 2.3.1 哈勃望远镜太阳能帆板的实体模型23
• 2.3.2 Marc有限元分析模型23-25
• 2.4 温度场计算结果与分析25-32
• 2.4.1 升温时温度场计算结果与分析25-29
• 2.4.2 降温时温度场计算结果与分析29-31
• 2.4.3 一个周期温度场计算结果与分析31-32
• 2.5 本章小结32-33
• 第3章 帆板主梁热变形和热应力的计算33-40
• 3.1 结构热变形Thornton理论分析33
• 3.2 主梁热变形和热应力的有限元分析33-35
• 3.3 基于Marc的热变形和热应力分析35-36
• 3.4 热变形和热应力计算结果与分析36-39
• 3.4.1 热变形的计算结果与分析36-37
• 3.4.2 热应力的计算结果与分析37-39
• 3.5 本章小结39-40
• 第4章 主梁固有频率和动态响应的计算40-48
• 4.1 Marc软件模态分析的基本原理40-41
• 4.2 主梁悬臂时固有频率的模拟计算41-44
• 4.2.1 密度和弹性模量不变时主梁固有频率的计算41-43
• 4.2.2 密度和弹性模量变化时主梁固有频率的计算43-44
• 4.3 脉冲载荷作用下主梁的动态响应44-47
• 4.3.1 有限元模型及边界条件44-45
• 4.3.2 动态响应计算结果与分析45-47
• 4.4 本章小结47-48
• 第5章 帆板整体固有频率和动态响应的计算48-62
• 5.1 太阳能帆板整体有限元模型的建立48-49
• 5.2 帆板整体固有频率的计算49-52
• 5.3 帆板整体一个温度周期动态响应的计算52-56
• 5.3.1 温度场的模拟计算52-54
• 5.3.2 帆板整体随温度变化动态响应的计算54-56
• 5.4 外载荷条件下帆板整体动态响应的计算56-61
• 5.4.1 有限元模型及边界条件56-58
• 5.4.2 动态响应计算结果与分析58-61
• 5.5 本章小结61-62
• 结论62-63
• 致谢63-64
• 参考文献64-68
• 攻读硕士学位期间发表论文68-69

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