AMS-02热控制系统结构件整体化方案设计与关键部件有限元分析

摘要

阿尔法磁谱仪(Alpha Magnetic Spectrometer 02，简称AMS-02)是由于肇中教授领导的大型国际合作项目，它将安装在国际空间站上，利用外太空所独有的空间环境进行大型粒子物理实验。其上所安装的粒子物理探测器的性能很大程度上取决于它们所处的热环境，为保证这些探测器能够在外太空恶劣热环境下正常运行，热控制系统在AMS-02中起着重要的作用。而AMS-02热控制系统的顺利运行需要相应结构件支持，这些结构件的设计就显的非常关键。它不仅需要满足AMS-02自身功能要求，还需要满足航天器的设计要求、航天飞机的发射要求和在空间站的安装使用要求。本文将以AMS-02热控制系统结构件为研究对象，主要研究内容如下： 首先，依据AMS-02热控制系统原结构件加工、装配过程中出现的问题，寻求问题的根源在于底层(分散)设计方案。根据目前航天、航空结构件整体化设计趋势，运用整体化结构设计思想，对AMS-02热控制系统结构件进行改进设计。 其二，运用ANSYS对重新设计的热控制系统结构件进行静力学分析，获取其应力、应变状况。根据分析结果对新结构件进行优化，并在满足结构强度基础上，尽可能减轻结构自重，从而为获得满足飞行强度要求的热控制系统结构件提供优化结构模型。 其三，为验证有限元分析结果，对顶部支架进行模态测试，提取其振动频率和振型，并与模态分析结果相比较，从而检验理论分析结果。再应用MATLAB软件，对理论分析结果和实验结果做内积相关性计算，检验理论分析结果与实验结果的吻合性问题，目的是验证有限元模型及其计算结果的可靠性。在此基础上，分别对其它关键部件做模态分析，提取其模态特性。 最后，基于各个有限元部件模型的装配问题，选用MPC184单元定义二力杆结构模拟螺栓联接，解决模拟装配的关键技术问题，即螺栓联接。全面研究热控系统结构件在三种典型工况下的应力、变形及振动情况，并对其最大应力部位做安全裕度计算。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号表、缩略语

声明

第1章 绪论

1.1课题来源及其研究目的、意义

1.1.1AMS(Alpha Magnetic Spectrometer)系统简介

1.1.2AMS-02的组成、作用及工作原理

1.1.3AMS-02热控制系统结构件的作用及其意义

1.2航天器设计特点与国内外发展现状

1.2.1国外航天器发展现状

1.2.2国内航天器发展现状

1.3有限元技术在航天结构设计中应用

1.4本文主要研究内容

第2章 AMS-02热控制系统结构件整体化设计方案

2.1引言

2.1.1航天航空结构件整体化设计现状

2.1.2AMS-02热控制系统结构件存在的问题

2.2整体化设计原则与要求

2.3电子箱体与主散热板的整体化设计

2.3.1电子箱排列位置微调

2.3.2主散热板的设计

2.3.3顶排与底排电子箱体的设计

2.3.4左列与右列电子箱体的设计

2.4支撑部件的设计

2.4.1支撑部件介绍

2.4.2中部支架的修改

2.5本章小结

第3章 AMS-02热控制系统关键结构件静力学分析

3.1引言

3.2主散热板结构静力学分析

3.2.1建模方法的选择

3.2.2模型处理与基本假定

3.2.3主散热板有限元模型的建立

3.2.4边界条件及载荷

3.3静力学分析结果

3.3.1主散热板应力分析

3.3.2主散热板位移分析

3.4主散热板结构优化

3.5其它结构部件静力分析及优化

3.5.1上下两排电子箱体静力分析及优化

3.5.2左右两列电子箱体静力分析及优化

3.5.3顶部支架静力分析及优化

3.5.4中部支架静力分析及优化

3.5.5下部支架静力分析及优化

3.6本章小结

第4章 AMS-02热控制系统关键部件模态分析与模态实验

4.1引言

4.2模态分析理论基础

4.3顶部支架有限元模态计算

4.4顶部支架模态测试

4.4.1模态测试分析系统

4.4.2项部支架的支撑方式

4.4.3测点的布置

4.4.4信号采集与数据处理

4.4.5实验结果分析

4.4.6模态置信度验证

4.5计算模态与实验模态内积相关性分析

4.5.1内积相关度的定义

4.5.2内积相关度的计算

4.5.3内积相关度计算结果分析

4.6其它关键部件有限元模态分析

4.6.1主散热板有限元模态分析

4.6.2顶排和底排电子箱体有限元模态分析

4.6.3左列和右列电子箱体有限元模态分析

4.6.4中部支架和下部支架有限元模态分析

4.7本章小结

第5章 AMS-02热控制系统结构件整体工况分析

5.1引言

5.1.1有限元模型装配技术

5.1.2装配体螺栓联接的模拟分析

5.1.3边界约束条件

5.2AMS-02飞行工况及其载荷分析

5.2.1惯性载荷与强迫位移分析

5.2.2声载荷分析

5.2.3移出载荷分析

5.3结构件在典型工况下的动力学分析

5.4热控制系统结构件在典型工况下的静力学分析

5.4.1热控制系统结构件在典型工况下的位移分析

5.4.2热控制系统结构件在典型工况下的应力分析

5.4.3热控制系统结构件在典型工况下的临界安全裕度计算

5.5本章小结

全文总结及展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间所发表学术论文及参与项目