| 单词 | 航天器计算结构动力学 |
| 释义 | 【航天器计算结构动力学】 在航天器(包括运载火箭、卫星、飞船、空间站)研制过程中结构动力学分析与研究具有极为重要的作用。 航天器承受的载荷主要是动态载荷，设计现代航天器都采用动态设计方法。根据初步结构方案，建立数学模型，进行发射、入轨直至返回地面过程的各级发动机点火，燃烧终止、级间分离、气动加载、整流罩分离、太阳帆板与天线展开、轨道停靠、宇航员出舱、反作用系统再起动、机械手工作、飞船对接碰撞、交会组装、返回大气层着陆一系列动态载荷的响应分析，给出部件设计载荷和设备环境条件。根据给出的设计载荷和环境条件，修改部件结构和设备尺寸形成新的结构方案，再重复上述过程，待设计载荷与环境条件收敛后，进行结构初样设计，加工出结构进行模态试验，用试验测得的响应分析给出最终的设计载荷和环境条件，作为最终结构设计和结构试验标准文件。空间站外型尺寸较大，轻而柔软的结构导致非常低的稠密空间模态。如果控制系统与空间站并不相互作用，那么控制系统的频率必须大大低于结构一阶模态频率，而空间站一阶频率为0．1Hz量级。这样控制系统频率将落在空间结构低频模态频率范围内，因而控制系统与结构系统的动态耦合，彼此相互影响与互相作用。这种大型航天器都需要有多个柔性附件，尤其对增长式组合空间站，往往具有多舱段、多柔体、变结构、变质量等特点，以及高指向精度要求，其结构振动的影响十分显著。由于这类航天器的高柔性、结构振动和控制系统之间的动态耦合十分严重。为保证飞船稳定性和指向控制精度要求，进行总体设计和控制仿真时，就不能把航天器作为刚体来处理，至少要作为中心刚体加若干个大型柔性附件或作为全柔性附件或作为代表全柔性体来考虑，总体设计除技术总体设计外，还应进行动力学优化设计。NASA兰利研究中心结构动力学部Belvin指出，为保证结构振动不产生对性能有破坏性的影响，大型空间系统需要进行精确的动力学分析，在研制阶段用有限的系列试验完成分析模型的验证。结构动力学人员特别感兴趣的是结构固有频率、阻尼和振型的特性。通常，模态振动试验用来确定感兴趣频域内所出现的振型与频率，先比较预示频率与试验频率、然后细化分析，直到预示与试验频率的误差在预定的容许误差之内。美国传统的运载系统地面试验都按1982年实施的美军标准1504B空间运载器的试验规范进行，目前上天的硬件或系统地面试验都没有遇到大问题，但是飞船与空间站的结构特性给地面试验带来许多困难。B．R．Janks(1983)指出，不能因为大型空间结构地面试验的困难而要用飞行试验代替地面试验，不做地面试验就上天是蛮干。任何结构在飞行前都必须证明它具备可接受的风险度与安全性。缩尺模型在初步评审、数学模型评定和研究耦合特性方面特别有用，这种方法已经在土星5、STS、大力神Ⅲ研制中应用，尤其是大力神全部根据模型和部件试验与分析结果的成功经验值得吸取。全尺寸部件与分系统试验在积木式空间站设计和布局研究中较为重要，因为这些试验可使整个系统的数学模型有适当的精度担保结构的安全。1984年NASA进行了第1次在轨模态试验，这是首次在轨道上进行长达32米的太阳板的模态试验。“大型空间站在轨模态试验的仿真”的论文介绍大型空间站在轨模态试验、提供模态性质，评估模态试验成功的分析仿真过程，这个过程提出完成大型空间站在轨模态试验一些主要对策，在轨试验具在高密模态、低频率与激励能力有限的特点。在轨结构有限元模型用于预测激励引起的加速度响应，时域模态提取方法用于评估模态性质，频率与正交化比较用于评估模态试验的效果。仿真结果指出激励函数的选取是关键的。为在轨模态试验仿真开发了一组软件工具，这些工具可以用于评估试验和进行参数研究，以便选择测量的位置。激振形式、噪音和非线性这些研究结果能够帮助指导试验的确定和计划。这些工具也用于在轨试验的评价。同时还需要一些专用工具用于典型的仿真以估计在轨试验。这些惯用的在轨工具包括MTSIM(模态试验仿真)，它的主要功能是计算由一组力函数引起的加速度响应、有限元和仿真识别的模态之间的正交性。MTSIM很容易用于反作用控制系统推进点火引起的响应仿真，虽然它能计算任何结构模态对推力和普通瞬态载荷(包括闭环控制作用)的响应，但输入数据的格式是确定的，而不要详细了解有限元分析方法。对与限元分析程序(MSCNASTRAN)和两个模态识别程序(SDRC I-DEAS Tdas和NASA Laugley ERA)有接口。有限元分析之后，执行MTSIM，读有限元模态结果和数据库中贮存的频率与振型。通过描述激励、持续时间、时间步长、模态阻尼、噪声量级和频率非线性度，很快进行单独仿真。V．J．Modietal提出的另一问题是，在空间展开结构组装之前为什么不进行地面仿真研究?对于几何上随时间变化的非常柔软结构和在微重力环境中工作的结构性能进行地面仿真无疑是困难的，精确地表达重力场和其它环境力也是难以解决的问题，与以前相比，这些问题导致现在更加依赖数学模型，因此发展分析和数值方法，提高其可信度是目前发展的趋势。由上可知，飞船与空间站动力学试验的主要目的仍然是完成分析模型的试验验证，大型飞船与空间站无法模拟在轨飞行条件进行全尺寸实体试验，必须进行有限系列全尺寸部件与分系统试验和缩尺模型试验，验证与修改后形成精确预示全尺寸飞行结构的数学模型，而后进行在轨动力学试验验证。在有限系列地面试验形成精确预示全尺寸的数学模型后进行动力学仿真研究，进行在轨动力学试验之前也要进行试验仿真。由此可见动力学试验验证已不再是单纯的试验，而是分析与试验的结合。前苏联大型运载火箭“能源”号在87年成功发射，它的总重2200t，总长60m。据介绍，只做了结构或模型结构试验，用分析的方法给出全箭模态参数，然后到靶场发射时实测验证。此外，运载火箭不能正常工作时，为保证宇航员生命安全而设计的逃逸塔的救生飞行器工作、爆炸螺检爆炸、逃逸发动机点火、救出宇航员安全离开火箭，这些动作都是在很短时间内在高空环境中完成的；火箭正常工作时飞到一定高度，逃逸塔分离，整流罩分离，这些分离过程要保证分离体不与飞行的末级火箭相碰撞，上述过程都无法用地面的救生过程与分离过程试验来模拟，也只得采用试验仿真的方法。结构动力学试验仿真是部件结构试验和总体综合分析相结合的方法，在计算机上模拟总体结构真实状态进行动力学分析，在计算机图形终端活化显示结构的运动、变形与应力。因而试验仿真的第一步是建立较正确的数学模型，然后进行部件结构和模型结构试验，用试验测得的数据修改与验证数学模型与物理参数，将实验数据溶在数学模型，用仿真软件包对实际载荷和环境扰动进行仿真分析与显示。由此可见试验仿真仍然是数值仿真，它依赖于仿真方法的研究和仿真分析软件包的建立。航天器计算结构动力学今后研究的方向有：(1)模态试验仿真方法；(2)非线性结构动力学研究；(3)结构热、超屈曲、振动耦合分析研究；(4)固体接触与碰撞研究；(5)航天器结构与非结构耦合问题；(6)柔性多体动力学研究；(7)结构动力优化；(8)结构响应数值仿真的质量评价与控制。(北京强度与环境工程研究所邱吉宝撰) |
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