太阳帆航天器的有限元仿真

摘要

太阳帆航天器是依靠反射太阳光的光子来获得速度和加速度的新型航天器，只要有太阳光存在的地方，它就可以一直加速，并最终能获得比普通航天器大得多的速度，而且它不受燃料的限制，可以在太空中运行更长的时间，所以太阳帆航天器的产生对未来的空间探索具有十分重大的意义。 对于一般的太阳帆航天器来说，都需要自身的结构尽量轻薄，但是过分轻薄会对太阳帆的安全性产生影响，所以需要对太阳帆的结构进行分析，找到较为优化的结构和材料。本文正是基于这样一种需求，对中国科学技术大学太阳帆小组设计的太阳帆模型进行了光压载荷和热载荷下的有限元分析，并根据光压的变化，设计了简单的轨道模型，然后在轨道上进行了分析。 本文首先介绍了太阳帆小组设计的太阳帆模型，分析了它的展开原理。然后根据实物模型，通过一些简化和假设，在ANSYS中建立了有限元模型。有限元模型与实际模型的差别，决定了结果的可信度，所以所做的简化和假设必须是合理可行的。 通过太阳帆的运行原理和参考普通卫星在空间的受热情况，太阳帆在空间的光压载荷和温度载荷可以通过空间辐射的变化来计算。本文的计算都是基于简单的力学系统的，没有考虑复杂的空间力学系统。 对得到的有限元模型施加光压和温度进行了有限元分析，并且本文得到的应力和应变结果与参考文献是一致的。太阳帆的有限元分析涉及到比较复杂的非线性分析，在ANSYS中的参数设置非常重要。通过调查非线性分析中各种参数和设置的作用，经过多次的试算得到了较为合适的参数设置。对同类型的结构，均可采用此设置。 通过对太阳帆在空间姿态的变化得到了光压和热辐射的变化规律。通过光压的变化规律可以利用简单的力学系统的到太阳帆的简化轨道，然后对轨道上的点进行有限元计算，得到太阳帆运行一周的变化趋势。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1太阳帆航天器介绍

1.1.1原理和组成

1.1.2特点和优势

1.1.3研究现状和发展前景

1.2课题研究概述

1.2.1 研究内容和文章安排

1.2.2有限元方法简介和ANSYS的一般分析过程

第二章太阳帆模型介绍

2.1实物模型介绍

2.1.1原理和组成

2.1.2材料选取

2.1.3地面试验

2.2有限元模型介绍

2.2.1对实际情况的假设

2.2.2内部装配关系的定义

2.2.3网格划分规则

2.3本章小结

第三章太阳帆所受载荷

3.1太阳光压

3.2空间热辐射

3.2.1辐射源介绍

3.2.2太阳帆吸收的辐射热

3.3本章小结

第四章静载荷有限元分析

4.1 ANSYS非线性分析概述

4.1.1非线性的分类

4.1.2非线性分析算法

4.1.3非线性求解的组织级别

4.1.4非线性分析中常用的命令

4.2 ANSYS有限元分析

4.2.1薄膜的有限元分析

4.2.2支撑杆的有限元分析

4.2.3太阳帆整体在光压下的有限元分析

4.2.4太阳帆整体在光压和热辐射下的有限元分析

4.3本章小结

第五章轨道上的有限元分析

5.1太阳帆的运行轨道

5.1.1初始轨道选择

5.1.2初始轨道上的光压和热辐射

5.1.3实际运行轨道的计算

5.2轨道上的有限元计算

5.3本章小结

第六章总结与展望

6.1工作总结

6.2还需要进行的工作

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的学术论文