一种柔性太阳能电池翼动态载荷非线性分析方法

摘要

本发明属于结构动力学和有限元仿真技术领域，具体为一种柔性太阳能电池翼动态载荷非线性分析方法。本发明提出了①柔性电池翼张紧机构、导向机构、悬挂钢丝绳的有限元建模方法；②张紧机构和导向机构的预紧力在非线性瞬态响应分析时的施加方法；③悬挂钢丝绳只能承拉不能受压的力学特性在NASTRAN求解时的模拟；④通过补偿因收藏箱变形导致的悬挂钢丝绳长度的差异，提高非线性迭代收敛性的方法；⑤以及静态预紧力和动态惯性力组合作用下的非线性瞬态响应分析技术。其有益效果在于：其方法简单，构思巧妙。

说明书

技术领域

本发明提供一种用MSC.NASTRAN对航天器柔性太阳能电池翼在轨机动过程中 的动态载荷进行非线性瞬态响应有限元分析的方法，包括结构或机构的动力学建模、 非线性静态和瞬态响应分析等内容，涉及计算结构动力学和有限元仿真等技术领域。

背景技术

航天器的柔性太阳能电池翼的结构如图1所示，包括：远端的收藏箱1，悬挂钢 丝绳2，电池阵3，主伸展机构4，导向机构5，张紧机构6，近端的收藏箱7，卷簧 8，钢丝绳9。常规结构的力学建模和分析(包括静力学和动力学)可以用 MSC.NASTRAN完成。但对于航天器柔性太阳能电池翼，用MSC.NASTRAN计算存 在很大困难。主要因素和现象包括：①收藏箱在预紧力的作用下变形较大，靠近主伸 展机构内外两侧的变形差异明显。若不采用专门建模技术，电池阵的计算模型在加载 后会发生翘曲，导致非线性迭代发散。②MSC.NASTRAN的非线性静态分析(SOL106) 和非线性瞬态分析(SOL129)不支持温度载荷，在有限元计算时用温度载荷模拟预紧力 的方法此时不适用。③MSC.NASTRAN不提供只受拉不承压的“绳索单元”，因此不 能直接模拟悬挂电池阵的钢丝绳的力学特性。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的若干问题，提供一种面向柔性太阳能电池 翼（简称柔性翼）动态载荷非线性分析的方法，用统一的有限元模型表征航天器柔性 太阳能电池翼，以MSC.NASTRAN为工具完成柔性翼在张紧机构预紧力作用下的非 线性静态变形分析、在惯性力作用下的非线性瞬态响应计算，预示航天器在变轨、对 接、分离等在轨机动过程中柔性翼关键部位的动态载荷。

本发明提供的一种柔性太阳能电池翼动态载荷非线性分析方法，具体 步骤如下：

（1）对张紧机构、导向机构和悬挂钢丝绳均采用一维杆单元串联一个反置的GAP 单元进行建模，利用GAP单元的属性同时实现张紧机构和导向机构的预紧力施加、 钢丝绳只承拉不受压力学特性的模拟、以及收藏箱变形后内外两侧的钢丝绳长度的补 偿；

（2）利用NASTRAN求解序列SOL106分析柔性翼在预紧力作用下的非线性静态变 形；

（3）在上述非线性静态变形基础上，利用NASTRAN求解序列SOL129以重新启动 方式分析柔性翼在变轨、对接、分离等在轨动态惯性力作用下的非线性瞬态响应，预 示柔性翼部位的动态受力状态。

张紧机构和导向机构的建模方法相同，具体如下：

钢丝绳用一维杆单元AB模拟，A、B为该一维杆单元的两个端节点，其纵向刚 度与钢丝绳的刚度一致，方向不作限制；一维杆单元AB的节点A连接到电池阵；卷 簧用GAP单元CD模拟，C、D为该GAP单元的两个节点，其从节点C指向节点D， 开启和闭合刚度相同、均为卷簧的刚度，预压力即为张紧力，初始张开位移取为相应 位置的钢丝绳长度补偿量的负数；GAP单元的节点D连接到收藏箱的相应位置上； 节点C与一维杆单元AB的节点B之间在电池翼展开方向的位移为刚性连接，即为 多点约束关系，其余方向的位移和转角均被约束。

本发明中，悬挂钢丝绳的建模方法如下：

悬挂钢丝绳只能受拉不能受压，用一个杆单元AB和一个GAP单元CD串联后 模拟；杆单元AB的节点A连接到电池阵，节点B与GAP单元的节点C在电池翼展 开方向的位移为刚性连接，GAP单元的节点D连接到收藏箱的相应位置上；杆单元 AB的纵向刚度与钢丝绳一致，方向不作限制；GAP单元模拟钢丝绳受拉和受压，其 闭合刚度很大，开启刚度很小，初始张开位移取为相应位置的钢丝绳长度补偿量的负 数；悬挂钢丝绳不主动提供张紧力，相应GAP单元的预压力属性取为零。

本发明中，钢丝绳长度补偿量通过计算柔性电池翼骨架和单边电池阵的变形确 定。

本发明中，利用串联在张紧机构和导向机构一维杆单元上的GAP单元的初始压 力属性，通过将GAP单元反置使得初始压力等效为张紧机构和导向机构的预紧张力， 实现张紧机构和导向机构的预紧力施加。

本发明中，利用串联在张紧机构和导向机构一维杆单元上的GAP单元的开启和 闭合刚度属性，通过将GAP单元反置使得钢丝绳受拉时GAP单元闭合，钢丝绳受压 时，GAP单元开启，实现钢丝绳只承拉不受压力学特性的模拟。

本发明中，利用串联在张紧机构和悬挂钢丝绳一维杆单元上的GAP单元的初始 张开位移属性，补偿收藏箱变形后内外两侧(相对于主伸展机构)的钢丝绳长度，补偿 量通过计算柔性电池翼骨架和单边电池阵的变形确定。

本发明的有益效果在于：其用统一的有限元模型表征航天器柔性太阳能电池翼， 以MSC.NASTRAN为工具完成柔性在张紧机构和导向机构预紧力作用下的非线性静 态变形、在惯性力作用下的非线性瞬态响应计算，从而预示航天器在变轨、对接、分 离等在轨机动过程中柔性翼关键部位的动态载荷，方法简单，构思巧妙。

附图说明

图1是柔性太阳能电池翼结构示意图。

图2是电池翼骨架和单边电池阵示意图。

图3是张紧机构、悬挂钢丝绳的有限元模型。

图中标号1-收藏箱（远端）；2-悬挂钢丝绳；3-电池阵；4-主伸展机构；5-导向机 构；6-张紧机构；7-收藏箱（近端）；8-卷簧；9-钢丝绳。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细阐述。

本发明中的柔性太阳能电池翼，结构如图1所示。

本发明提供的一种柔性太阳能电池翼动态载荷非线性分析方法，其先对张紧机构 6、导向机构5和悬挂钢丝绳2采用一维杆单元串联一个反置的GAP单元建模，利用 GAP单元的属性同时实现张紧机构6和导向机构5的预紧力施加、钢丝绳只承拉不 受压力学特性的模拟、以及收藏箱变形后内外两侧的钢丝绳长度的补偿的目的；再利 用NASTRAN求解序列SOL106分析柔性翼在预紧力作用下的非线性静态变形；最后 在非线性静态变形基础上，利用NASTRAN求解序列SOL129以重新启动方式分析柔 性翼在变轨、对接、分离等在轨动态惯性力作用下的非线性瞬态响应，预示柔性翼部 位的动态受力状态。

具体描述如下：

一、张紧机构6、钢丝绳的长度补偿

建立不包括电池阵3的电池翼骨架模型，将张紧力T分别作用到收藏箱的各个悬 挂点，如图2(a)所示。电池翼骨架的形式相对简单，用常规的方法建模通常能保证非 线性静态计算的收敛性。计算可得收藏箱（远端）1外侧和内侧位移别为和收藏箱（近端）7外侧和内侧位移分别为和

再建立只包含电池阵3的有限元模型，近端固定、远端施加张紧力T，如图2b) 所示。电池阵3模型受力简单，用常规的方法建模通常也能保证非线性静态计算的收 敛性。计算可得远端内外两侧张紧力作用点上的位移为和

各个钢丝绳9的长度补偿量为：

(1)远端外侧${\delta }^{\left(I\right)}=\left|{\delta }_1^{\left(I\right)}\right|+\left|{\delta }_2^{\left(I\right)}\right|;$

(2)远端内侧${\delta }^{\left(\mathrm{II}\right)}=\left|{\delta }_1^{\left(\mathrm{II}\right)}\right|+\left|{\delta }_2^{\left(\mathrm{II}\right)}\right|;$

(3)近端外侧

(4)近端内侧：

二、张紧机构6和导向机构5的有限元建模方法

张紧机构6由卷簧8、滑轮和钢丝绳9组成，钢丝绳9通过滑轮与卷簧8连接。 卷簧8有预紧力矩、刚度很低，使得电池阵3展开过程中钢丝绳9的张紧力保持基本 不变。受NASTRAN非线性瞬态响应分析功能的限制，卷簧8的预紧力不能通过温 度载荷方式施加。这里将采用反置的GAP单元、利用其预压力的属性模拟张紧机构 6预紧力，如图3所示。

AB表示模拟钢丝绳9的一维杆单元，纵向刚度与钢丝绳9的刚度一致，方向 不作限制。杆单元的节点A连接到电池阵3。CD表示模拟卷簧8的GAP单元，从节 点C指向节点D，开启和闭合刚度相同、均为卷簧8的刚度，预压力即为张紧力， 初始张开位移取为相应位置的钢丝绳9长度补偿量的负数。GAP单元的节点D连接 到收藏箱的相应位置上。节点C与B之间在电池翼展开方向的位移为刚性连接，即 为多点约束关系，其余方向的位移和转角均被约束。

导向机构5的建模方法与张紧机构6相同。

三、悬挂钢丝绳2的建模方法

悬挂钢丝绳2，具有只能受拉不能受压的特性。这一特性也可以用一个杆单元 AB和一个GAP单元CD串联后实现，如图3所示。杆单元的节点A连接到电池阵3， 节点B与GAP单元节点C在电池翼展开方向的位移为刚性连接，GAP单元节点D 连接到收藏箱的相应位置上。杆单元的纵向刚度与钢丝绳一致，方向不作限制。GAP 单元的闭合刚度很大(模拟钢丝绳受拉)，开启刚度很小(模拟钢丝绳受压)，初始张开 位移取为相应位置的钢丝绳长度补偿量的负数。悬挂钢丝绳2不主动提供张紧力，相 应GAP单元的预压力属性取为零。

四、柔性翼非线性静态和瞬态分析步骤

柔性太阳能电池翼在轨机动过程的非线性载荷采用NASTRAN的重新启动方式 计算，首先用非线性静态分析求解序列SOL106计算在张紧机构6预紧力作用下的静 态变形，然后用非线性瞬态分析求解序列SOL129计算电池翼在变轨、对接、分离等 输入条件下的动态载荷。

表1是用于计算柔性电池翼在张紧力作用下非线性静态变形的输入数据格式。 METHOD和PARAM,NMLOOP卡是为了计算张紧后电池翼的固有频率和固有模态。 'ModelData.bdf'是电池翼的有限元模型文件，其中张紧机构6和钢丝绳等关键部件的 建模方法在上一节做了说明。NLPARM用于控制非线性迭代过程，计算结果表明选 择'ITER'的迭代方式具有较好的收敛性。

表1SOL106输入数据格式

SOL106非线性静态分析完成后，从结果文件中可以找到LOOPID信息，如表2所 示，计算结果输出报告显示LOOPID=10。SOL129将以此初始状态进行后续的非线性 瞬态响应计算。

表2SOL106计算输出报告

表3是在SOL106非线性静态分析基础上重新启动、进行非线性瞬态计算的输入 数据格式。RESTART和ASSIGN卡用于指定静态计算的数据库来源。 PARAM,SLOOPID是说明以此静态变形为基础进行后续计算。DLOAD等卡片定义了 电池翼动态输入条件。使用SOL129计算非线性瞬态响应，只能选择'ADAPT方式控 制迭代过程，时间步长由程序自动调节，卡片TSTEPNL中给出的是步长为初始值。 NASTRAN建议非线性瞬态响应分析采用多个SUBCASE进行，也就是将整个时间历 程分解成多个时间段。

SOL129计算完成后即可得到瞬态响应分析结果。

表3SOL129输入数据格式