“TXZ”微小卫星结构优化设计与分析

论文摘要

现代小卫星体积小、重量轻、成本低、周期短、性能高,具有很强的可行性、广泛性和实用性,因此小卫星在国际空间技术领域得到了极高重视。随着小卫星的蓬勃发展,卫星结构设计的技术也有了新的进展,减轻结构重量成为卫星设计的一项重要要求,而将力学性能好并且重量又轻的材料应用到卫星上就能很好地满足这一要求。蜂窝夹层板作为一种特殊的结构形式,以其优异的力学性能和轻质的重量,被广泛应用于航天器结构中。本文基于“TXZ”微小卫星的总体要求和给定的布局、外形设计,根据卫星设计的一般原则、理论和方法,结合蜂窝夹层板的结构特点进行了两种新的卫星结构方案的设计、优化和分析,并与原有小卫星结构性能参数进行了比较。本文首先根据总体要求给出了两种新的结构设计的初步方案,包括结构型式和结构部件初始设计尺寸的确定;在此基础上,利用有限元软件MSC.Patran/Nastran进行整星有限元建模,以总体设计和结构本身的要求作为约束条件,进行结构优化设计,从而获得使卫星结构重量最轻的结构参数;然后,利用有限元软件对两种结构型式的整星进行静力分析、模态分析、正弦响应分析和随机振动响应分析,并分析计算结果;最后把两种满足总体和静、动力特性要求的结构方案与现有结构方案进行综合比较,选定了较优的结构设计方案。最终的方案设计对“TXZ”卫星结构设计具有一定的借鉴意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的背景和意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题研究的目的和意义
• 1.2 国内外小卫星发展的状况及综述
• 1.2.1 国外小卫星发展状况
• 1.2.2 国内小卫星发展现状
• 1.3 现代小卫星系统组成
• 1.4 现代小卫星结构功能与技术
• 1.4.1 卫星结构功能
• 1.4.2 现代小卫星结构技术
• 1.4.3 卫星结构中复合材料夹层结构应用基本概况
• 1.5 “TXZ”微小卫星介绍
• 1.5.1 “TXZ”微小卫星任务介绍
• 1.5.2 “TXZ”微小卫星基本模块介绍
• 1.5.3 “TXZ”微小卫星现有设计方案介绍
• 1.6 本文的主要研究内容
• 第二章 卫星结构设计的理论基础
• 2.1 引言
• 2.2 卫星结构设计特点和原则
• 2.2.1 卫星结构设计特点
• 2.2.2 卫星设计原则
• 2.3 卫星结构的分类
• 2.4 卫星的载荷分类及分析
• 2.4.1 载荷分类
• 2.4.2 载荷分析
• 2.5 卫星结构设计的技术要求
• 2.5.1 基本要求
• 2.5.2 强制要求
• 2.5.3 导出要求
• 2.6 卫星结构的方案设计步骤及要求
• 2.6.1 结构方案设计步骤
• 2.6.2 构型设计要求及主结构方案设计要求
• 2.7 本章小结
• 第三章 卫星结构分析、优化设计的理论基础与软件介绍
• 3.1 引言
• 3.2 卫星结构有限元基本理论
• 3.2.1 结构有限元的基本概念
• 3.2.2 结构有限元法分析的过程
• 3.2.3 结构有限元法的应用
• 3.3 卫星结构优化设计基本理论
• 3.3.1 结构优化方法的基本概念
• 3.3.2 结构可行方向法
• 3.3.3 结构优化设计的应用
• 3.4 结构有限元软件基本介绍
• 3.5 本章小结
• 第四章 微小卫星的结构设计
• 4.1 引言
• 4.2 “TXZ”微小卫星结构系统的基本任务要求
• 4.2.1 微小卫星结构系统的功能
• 4.2.2 特殊设备的布局要求
• 4.3 “TXZ”微小卫星的结构设计
• 4.3.1 “TXZ”微小卫星方案设计
• 4.3.2 星载设备的质量特性与安装位置
• 4.3.3 “TXZ”微小卫星全蜂窝夹层板式结构方案
• 4.3.4 “TXZ”微小卫星金属框架与蜂窝夹层板复合式结构方案
• 4.4 本章小结
• 第五章 整星的有限元模型及结构优化设计
• 5.1 引言
• 5.2 卫星整星有限元结构模型的建立
• 5.2.1 全铝蜂窝夹层卫星结构方案模型简化
• 5.2.2 金属框架与蜂窝夹层板复合式结构方案的模型简化
• 5.2.3 两种方案的有限元模型建立
• 5.2.4 模型约束边界设置
• 5.3 卫星整星结构优化设计
• 5.3.1 结构优化设计数学模型的建立
• 5.3.2 结构优化结果分析
• 5.3.3 重量的比较
• 5.4 本章小结
• 第六章 卫星整星的力学特性分析
• 6.1 引言
• 6.2 卫星结构静力分析
• 6.2.1 卫星结构静力分析要求和条件
• 6.2.2 蜂窝夹层稳定性校核分析
• 6.2.3 全蜂窝夹层卫星结构静力分析结果
• 6.2.4 金属框架与蜂窝夹层卫星结构静力分析结果
• 6.3 卫星结构模态分析
• 6.3.1 卫星结构模态分析要求和条件
• 6.3.2 全蜂窝夹层卫星结构模态分析结果
• 6.3.3 金属框架与蜂窝夹层卫星结构模态分析结果
• 6.4 卫星结构正弦振动响应分析
• 6.4.1 全蜂窝夹层卫星结构正弦振动响应分析结果
• 6.4.2 金属框架与蜂窝夹层卫星结构正弦振动响应分析结果
• 6.5 随机振动响应分析
• 6.5.1 全蜂窝夹层卫星结构正弦振动响应分析结果
• 6.5.2 金属框架与蜂窝夹层卫星结构随机振动响应分析结果
• 6.6 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 进一步工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文