中心舱体-附件耦合系统热颤振有限元分析.pdfVIP

清华大学学报(自然科学版)2008年第48卷第2期 28／35 —ISSN10—00-0054 CN Univ(Sci＆Tech)，2008，V01．48r No．2 270—275 11—2223／NJTsinghua 中心舱体一附件耦合系统热颤振有限元分析 薛明德， 李 伟， 向志海 (清华大学工程力学系，北京100084) 摘要：在轨航天器的柔性附件在其进出地球阴影区时很 ‘航天器的柔性附件如桅杆或太阳能帆板等，在 容易发生热诱发振动现象。柔性附件的这种运动将会产生扰 进出地球阴影区时很容易因结构温度的骤然变化而 动弯矩作用于航天器主体之上，从而对航天器的姿态运动产 产生热诱发振动。由于系统的角动量守恒，柔性附件 生重要影响。该文针对实际航天器刚体一附件耦合系统发展 的扰动将会导致航天器舱体发生刚体转动。这些姿 了一种热一结构动力学耦合的有限元分析方法．该耦合系统 态扰动可能会严重影响航天器的指向精度，从而引 的状态方程既包括与航天器刚体转动和柔性附件结构交形 起整个航天器的失效。当考虑航天器姿态角、柔性附 相耦合的非线性瞬态热传导方程，也包括与瞬态温度场相联 件结构变形与加热条件间的耦合时，这种热诱发振 系的结构动力学方程。该文以一个简单的hub—beam航天器 系统为研究对象，对该耦合系统分别进行了热一结构非耦合 动可能是不稳定的，即其振幅随时间不断增大，这种 和耦合分析。其中热一结构非耦合有限元分析的结果与已经 现象称为热颤振，是导致航天器失效的一种典型 存在的理论解结果显示了很好的一致性，热一结构耦合有限 模式。 元分析结果表明航天器在某种条件下可能发生热颤振。 关于航天器柔性附件的热诱发振动现象，此前 关键词：航天器，热颠振，热一结构褐合，有限元 的研究者[*-23认为柔性附件固定在舱体之上，从而忽 中图分类号：V414．1 文献标识码：A 略了舱体的刚体转动与柔性附件运动之间的相互作 文章编号：1000。0054(2008)02—0270—06 用。文[3—4]研究了航天器柔性附件的弯曲对姿态 动力学的影响，但没有考虑热效应。Johnson和 Thermalflutter ofa analysisspacecraft 动与航天器主体姿态角之间的耦合作用，对带有柔 withflexible basedon a appendageFEM 性附件航天器的热一结构动力学进行了理论分析。但 Zhihai XUE Wei，XIANG Mingde，U 是，他们忽略了舱体姿态角变化和柔性附件热变形 of (DepartmentEngineeringMechanics，TsinghuaUniversity， 对入射热流的耦合影响，而这种耦合影响正是航天 100084，China