太阳帆结构分析.doc

太阳帆结构分析.doc.(西北工业大学?西安7710072) (鲍曼技术大学?莫斯科)摘要太阳帆是人类向太空发射的一种宇宙探测器。木文推导建立了太阳帆结构分析的理论方程组;利用数值计算方法进行了全结构分析;采用罚函数法,确定了满足各种技术条件下的转速及辐条长度Z间的可用范围;同时,在引入某些假设的前提下,得岀了方程组的近似理论解。它们为太阳帆强度分析、结构形状保持能力提供了论理基础,也为太阳帆的设计提供了依据。木文最后提供了某实际发射的太阳帆结构的分析结果。木文的分析手段可作为大型柔性结构分析的参考。主题词太阳帆宇宙探测器超柔性结构 结构分析1引言太阳帆是人类向太空发射的一种探测器,它已经而且述将为人类探索太空的奥秘做出贡献。它由中央鼓轮(仪器部分)和向四周辐射展开的辐条构成(如图1),由辐条接受太阳的充压为动力而推向外层空间。太阳帆的辐条由聚酰胺材料拉塑成型,十分十分薄,自身不具有舒展性和形状保持能力,是一•种超柔性结构。它靠太阳帆自身的旋转而产生的离心力,來维持其稳定后的展开形状。太阳帆辐条应满足强度、刚度和运行速度等技术条件。由于太阳帆应具有长期工作的能力,故其辐条在稳定工作状态下的最大应力应限制在材料弹性范围内,即Pmax<P3图1太阳帆结构 为保证太阳帆的运行速度,对辐条接受光压的面积有一定耍求。一般情况下辐条宽度由太阳帆总体布局确定,而辐条长度由构造、工艺及上述面积要求而有一变化范围,即R1<R<R2 为保持太阳帆的形状,辐条端部挠度要小,应满足:Y1max<fY2max<f31 当R=R1当R=R2 本文于19年丿」日收到3278 宇航学报第17卷 由于太阳帆结构自身的特殊性和工作环境的特殊性,地面实验十分困难。因而要求通过理论分析方法,确定太阳帆的结构受力特性。木文首次推导建立太阳帆辐条稳定后平衡方程组,用差分法与近似理论方法确定应力位移,并用罚函数法确定约束下的参数可用范围。2基本理论对于处于稳定工作状态的太阳帆,其小央鼓轮可看作辐条的固支端,取一根辐条如图2所示,其上作用有太阳光压P及离心力q,则单位长度离心力为p=bh02rH图2太阳帆辐条及其微元 其中b和h分别为辐条宽度和厚度,0为辐条材料的密度,三为太阳帆转速。取一辐条微元ds,因厚度特薄,认为只承拉,不承弯剪,其受力类似薄膜,则有平衡关系:引入无量纲参数:P=则式(1)(2)变为对式(5)(6),有边界条件Y=0当k=0r?=0 当X=1Tr0dy设辐条挠度为y=()R,则X=Yydr?E由于辐条不承弯,故其应力为P=T02R2 ?PbdscosY+TdYTdT+bPdssinY+bh0rdscosY=0E22 (1)(2)rTP?X=rT=Rbh0R522h©RE2?dY+P■九tgY=0?rkdrdTX?k+r+PtgY=0dr?dr=dscosYbh0rdssinY=0E(3) (4) (5)(6) (7)(8)(9)第3期 陈集丰等:太阳帆结构分析793 差分求解为了求岀满足引言中所述技术条件,仅改变?0是不够的,还必须改变无因次载荷?,使TP?0?n最小,满足Ymax<f3,Pmax<P3;这个问题采用罚函数法求解,得最佳点(?3,T3