新型太阳帆结构动力学有限元仿真分析

摘要

太阳帆航天器是通过太阳光压来实现推进太空航行的新型航天器。在太阳系内，太阳光可以为太阳帆提供源源不断的动力;在太阳系外其它恒星的光也能推动其前进，因此太阳帆的飞行动力几乎是不枯竭的。在不断的推力作用下，太阳帆可以一直加速，并且理论上速度最大可以达到6000km/s，飞出太阳系进行深空探测是它的最终目的。
　　 为使太阳帆拦截更多的光子并得到更大的加速度，太阳帆航天器的关键在于结构轻、薄和大。若要把质量为0.5吨的航天器在一年内送到火星，那么太阳帆直径需要达到300m。对于这样超大超轻超薄的航天器，极易在微小激励作用下发生震动，而航天史上曾有多次因航天器大型的帆板或是天线因震动而导致太空任务失败的案列。因此，对太阳帆这样大型的薄膜结构进行动态响应实验室来对其结构的振动特性进行了解和抑制是非常必要的。但现在还没有这样大的实验室能模拟真实太空环境并进行实验，因此，仿真分析就成为太阳帆航天器动力特性实验的主要工具。
　　 本文采用ANSYS有限元软件对中国科学技术大学太阳帆小组设计的太阳帆进行了动力学分析，主要分为多阶梯变截面支撑杆、无光压太阳帆和垂直光压的太阳帆的动力学分析，每一个结构状态都包括模态分析，谐响应分析和瞬态分析三个小部分。
　　 本文首先就该太阳帆航天器的细长变截面支撑杆进行了动力学分析，在得到其固有频率和振型以外，还模拟了支撑杆在展开锁紧过程中的动态响应，以及在随时间变化的外力激励下的振动衰减情况。
　　 然后文章就太阳帆在平行于光压和垂直于光压两种姿态下的整体进行了分析，探测了帆面展开过程中需要施加的预应力大小以保证帆面平滑，以及太阳帆展开后预应力模态分析、大变形模态分析、谐响应分析和瞬态分析等。得到了太阳帆的固有频率和相应振型，振动特性和衰减信息。为太阳帆的整体工程设计以及所携带的反光设备和电子设备设计提供信息，防止共振发生，并对长时间的振动进行抑制。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 太阳帆航天器

1．1．1 太阳帆飞行原理

1．1．2 太阳帆的广阔应用前景

1．1．3 太阳帆国际研究历史和现状

1．1．4 太阳帆结构动力学国际研究现状

1．2 课题研究概述

1．2．1 小组太阳帆结构介绍

1．2．2 课题研究内容

1．3 本章小结

第2章 有限元动力学分析

2．1 有限元方法简介

2．2 有限元动力学分析

2．3 ANSYS动力学分析

2．3．1 ANSYS模态分析

2．3．2 ANSYS瞬态分析

2．3．3 ANSYS谐响应分析

2．4 本章小结

第3章 太阳帆支撑杆动力学分析

3．1 太阳帆支撑杆特点

3．2 支撑杆模态分析

3．3 支撑杆谐响应分析

3．4 支撑杆瞬态分析

3．4．1 结构的阻尼

3．4．2 支撑杆的锁紧过程瞬态分析

3．4．3 支撑杆的姿态控制过程瞬态分析

3．5 本章小结

第4章 无光压太阳帆动力学分析

4．1 太阳帆的结构特点

4．2 无光压时太阳帆的动力学分析

4．2．1 无光压时太阳帆的模态分析

4．2．2 无光压时太阳帆谐响应分析

4．3 无光压时，太阳帆预应力施加初步探讨

4．4 本章小结

第5章 垂直光压时太阳帆动力学分析

5．1 ANSYS大变形模态分析

5．1．1 垂直光压下的帆面模态分析

5．1．2 不同姿态下的模态分析

5．1．3 垂直光压太阳帆的谐响应分析

5．1．4 垂直光压太阳帆的瞬态分析

5．2 本章小结

第6章 工作总结与展望

6．1 工作总结

6．2 工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其它研究成果