卫星结构设计与分析(上)

●结Baidu Nhomakorabea材料的选择
●结构材料的应用和发展
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卫星结构材料
概述
材 料 的 工 作 环 境
减小卫星结构质量
较小的线膨胀系数，较高的 比热容，良好的额热导率
材料的总质量损失不大于1%， 收集挥发性冷凝物不大于 0.1%。
③出厂评审
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技术基础
●概述
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● 结构动力学
●复合材料学
●结构有限元法
●结构优化方法
●计算机辅助设计方法
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技术基础
概述
结构动力学
有限元法
复合材料
结构优化
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技术基础
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技术基础
结构动力学
响应分析 参数识别
载荷识别
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技术基础
单自由度系统
0 0
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技术基础
复合材料力学
复合材料力学是研究复合材料本身力学性质的学科，包括对材料刚度、强度等基本力学性能的分析。目 前在卫星结构中应用的复合材料一般为纤维复合材料，它具有严重各向异性。
单向材料
层合材料
复合材料的铺层方式有4个要素：层数，各层纤维角，各层厚度和各层排列顺序。
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技术基础
复合材料力学
为了满足复合材料刚度的要求，则不希望在复合材 料的结构设计中出现拉弯耦合或拉剪耦合效应，因 此复合材料的铺设采用对称方式设计。
纤维复合材料的强度，包括各跟纤维或纤维束的强 度和同一根纤维沿纤维方向的强度分布，基体和纤 维因裂纹和缺陷所带来的影响等，具有随机性质， 因此采用统计力学的方法可能会得到更好的结果。
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结构离散化
选择位移函数 分析单元力学特性
计算等效节点 建立整体平衡方程 应用条件求解方程
程有 限 元 分 析 过
计算单元应力应变
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技术基础
结构有限元法
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技术基础
结构优化方法
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结构优化设计 的数学命题包 括三个部分： ●设计变量 ●约束条件 ●目标函数
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技术基础
计算机辅助设计方法
零件造型
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卫星结构和机构概论
卫星结构和机构的研制程序
可行性论
分析任务需求，提出初步方案设想，针对方案 中的难点突出攻关项目
证阶段
方案阶段
①方案设计 ②初步设计和分析
③方案验证
④方案评审
研制程序
初样阶段
①初样设计分析 ②产品实现过程 ③制定验收规范 ④制定试验规范 ⑤鉴定试验 ⑥初样阶段评审
正样阶段
①正样设计和正样分析 ②产品实现和验证
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卫星结构设计
卫星结构的设计要求
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基本要求是机 构结构设计中 必须始终遵循 的要求； 强制要求是由 卫星系统以及 其他系统所需 的设计要求； 导出要求是卫 星各分系统提 出的约束条件。
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卫星结构设计
卫星结构的方案设计
设计方案的比较和筛选 ●比较的参数 ●比较的方法
确定方案设计设计条件和基本构 型
故障模式影响分析（FMEA） ●产品定义 ●故障模式 ●故障影响 ●提高设计可靠性的措施
金属材料结构的安全裕度
复合材料结构的安全裕度
按材料屈服强度计算 按材料极限强度计算 按构件稳定性计算
0
0.15
按首层破坏方式计
算
0.25
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强度 稳定性
0.25
0.30
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卫星结构材料
●概述
4
●金属材料
●复合材料
轨道环境： ●真空 ●热辐射 ●带电粒子辐射 ●紫外辐射 ●原子核分子离 子 ●微流星和空间 碎片
再入环境： ●再入气动力和 气动热 ●返回冲击
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卫星结构设计
卫星结构的载荷分析
载荷源： ●稳态载荷源 ●热载荷源 ●动力激励源
载荷分类： ●静载荷 ●热载荷 ●动载荷
卫星结构的载荷： ●主结构载荷设计 卫星的主结构收到的载荷在发射或返回阶段 最为严重，需考虑相应的环境进行主结构设 计 ●星载设备设计 低频瞬态载荷和随机振动进行合理的组合
卫星结构设计与分析
马佳
2019.01.02
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1
目录
Contents
01
概论
02
技术基础
03
卫星结构 设计
04
卫星结构 材料
05
卫星结构 分析
06
卫星结构 设计验证
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2
卫星结构和机构概论
●卫星结构和机构的功能
1
● 卫星结构机构设计特点
●卫星结构机构分类
●卫星结构机构研制程序
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卫星结构和机构概论
设计迭代和 优化
结构设计的详细步骤
确定结构连 接的设计参 数
设计接口界 面
绘制工程图 样
提供相关的 文件
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卫星结构设计
卫星结构的详细设计
复合材料的设计——根据层状复合 材料的性能保证材料的正确使用
强度验证 ●设计载荷的确定——考虑卫星在 制造和工作的所有载荷工况 ●安全系数和验证系数 ●安全裕度——评价结构的强度是 否满足要求
装配
结构件的计算机辅
装配品质检查
助造型
二维工程设计
卫
CAD质量分析
星
模型和图形交换 机构分析几何建模
计
机构的计算机辅助
机构的运动性
算
运动仿真 结果处理
机 结构有限元分析
辅
零件分析 装配结构的建模和运算 计算和后处理
助
CAM模型准备
制造一体化
模型转换 数控编程
快a速样件制造
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卫星结构设计
●概述
3
●卫星结构的工作环境
●卫星结构的载荷分析
●卫星结构的设计要求
●卫星结构的方案设计
●卫星结构的详细设计
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卫星结构设计
卫星结构工作环境
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卫星结构设计
卫星结构工作环境
地面环境： ●地面自然环境 ●制造 ●操作 ●储存 ●运输 ●地面试验
发射环境： ●起飞和地面噪 声 ●最大气动载荷 ●稳态飞行 ●级间分离 ●整流罩分离 ●星箭分离
结构机构功能
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卫星结构和机构概论
结构机构设计特点和原则
三化：通用化、系 列化、组合化
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卫星结构和机构概论
卫星结构和机构的分类
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结构 ●按照载荷分类 主结构和次结构 ●按照结构分类 承力结构、密封结构和防热 结构 ●按照部件形状分类 杆系结构、板式结构、壳体 结构
机构 ●压紧释放机构 ●展开机构 ●驱动机构 ●连接分离机构
纤维多相对为脆性（承力），基体相对为韧性（保 护、传递）。
层合复合材料的强度分析一般采用首层破坏强 度作为材料的破坏强度。
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技术基础
结构有限元法
卫星的结构分析目前主要采用 有限元法，尤其是主要结构部件和 整个卫星的结构分析。
有限元的基本思路是：将连续 体（场）离散为有限数目互相连接 的单元体（场），并使单元体的特 性集合能够反映将连续体（场）的 整体特性。
●构型设计
●主结构方案设计要求的确定
●次级结构方案设计要求的确定
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形成初步方案 对结构进行初步设计和分析，确 定结构整体布局
选择结构形式和材料 ●结构形式的选择 ●结构材料的选择 ●结构连接方法的选择
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卫星结构设计
卫星结构的详细设计
结构轮廓尺 寸和舱段尺 寸的确定
确定各结构 部件的设计 参数
进行故障模 式影响分析