ANSYS在卫星设计中的应用

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1、ANSYS在卫星设计中的应用1星/箭耦合特性计算分析星/箭耦合特性是卫星总体结构设计时最为关心的一个问题。进行星/箭联合试验和整星力学环境试验，主要也是为了测试其耦合特性。过去运载进行耦合分析时建立的计算模型，将整星等效成具有等效质量和等效刚度的多刚性体，将对接环等效成一个点，卫星与运载点连接。这一模型与实际结构相差甚远，计算分析的结果只是表示卫星的整体特性，并不分析局部力学参数，而且误差较大。但研制设计局部结构时，局部力学特性是最重要的输入参数。ANSYS可以对卫星和运载进行精确的耦合特性计算分析，星、箭、对接环的模型可精确地构造出来，不

2、需要作大的简化等效，从而能够准确分析卫星的局部模态和局部载荷参数。ANSYS软件的子结构分析功能，可以将运载作为一个主结构，卫星的主要分系统结构分别作为子结构，对各个子结构计算分析之后，再将各部分组合在一起计算分析，给出整星的模态和强度，以及运载与卫星（船）对接环界面的载荷参数、卫星平台与分系统连接界面的载荷参数、卫星主要局部结构模态和强度等。ANSYS的子模型分析功能，可以先建立卫星的粗网格有限元模型，计算分析卫星模态和强度，使得对整星结构有一个全面的了解，同时也降低计算量。再将比较重要部位的有限元模型取出来，进一步细化网格，进行计算分析

3、，精确给出局部结构的强度。2卫星的结构计算和优化设计在卫星方案研制阶段，要对不同方案进行分析对比，选择确定最优的设计方案，很多时候不同的方案只是在于结构尺寸和材料的变动。在卫星结构设计过程中，不可避免地要根据各方面的要求不断修改尺寸和材料，优化卫星结构，而如何修改和修改的效果如何，都要进行计算仿真。目前的计算分析，对于每次结构尺寸的改动，都要重新建立卫星的有限元模型，而卫星分析的绝大部分工作量就在于模型的建立过程。因此，对卫星方案和卫星结构的优化计算，工作量大，周期长。图5-1卫星机构柔体运动学分析及强度和振动特性计算图5-1采用ANSYS

4、和刚体运动学分析软件ADAMS分析了卫星太阳翼、重力梯度杆的机构展开过程，太阳翼及重力梯度杆作柔体计算，卫星作刚体计算；同时采用ANSYS分析了整星模态特性和局部结构模态特性，以及太阳帆板与星上压紧点的强度，计算中考虑了铰接点处的摩擦阻尼和接触非线性问题。ANSYS的结构优化分析功能，采用参数建模的方式，可以使卫星方案和卫星结构的优化计算分析既简便，又快捷。ANSYS专门提供了参数化设计工具，可以方便地建立整星的参数化模型，同时所有的分析结果也可以方便地表示成参数；输入参数如卫星的结构尺寸、材料性质等均可作为设计变量，给定其变化范围，在优化

5、过程中即可自动搜索其最佳值；所有的计算结果或计算结果的组合均可作为状态变量，用户可为每一个状态变量指定判断准则（如应力允许的最大值、固有频率应避开某一值等），以此表达设计可行性的工程准则；任何可表示成ANSYS参数或ANSYS参数表达式的项（如卫星的总重量）均可作为目标函数，它是极小化的目标函数，是优化的对象。ANSYS的优化设计过程是一个允许人工干预的自动过程，通过优化子程序选择设计变量值－分析所得到的设计－对照状态变量的迭代过程，努力使目标函数值最小。3卫星飞船撞击计算分析返回式卫星和飞船，最后都要返回地面，返回舱与地面相撞。在外层空间

6、运行过程中，获得的资料和飞船上的宇航员都在返回舱中，返回舱的撞击响应最终决定着宇航员的生还和资料的成功回收。因此，准确分析卫星、飞船的撞击特性、为返回舱结构设计提供可靠的依据，就显得极为重要。图5-2火星探测器在火星着陆分析              图5-3飞机事故模拟火星探测者号在火星上成功地投放一探测器，从而实现了人类探测火星的梦想。探测器的落地过程在ANSYS/LS-DYNA中进行了全过程的模拟，包括保护气囊的打开及多次跌落、弹起的过程，图5-2为落地瞬间的应力分布。ANSYS的显式瞬态动力冲击模块ANSYS/LS-DYNA是分析撞

7、击问题最权威的软件，可以建立准确的地面撞击模型和卫星飞船模型。计算过程中的智能网格重划分功能，能够更精确地计算给出返回舱的着陆速度、撞击变形、以及舱内人员和资料的损伤程度。ANSYS/LS-DYNA进行的飞机鸟撞计算、航空炸弹穿透混凝土机场跑道的弹道轨迹分析、以及船舶意外撞击桥体的事故后果分析等，其结果都与相应的试验结果相吻合。卫星在宇宙中可能会遇到宇宙垃圾的碰撞。图5-4模拟了碎片对卫星等飞行器的冲击，碎片的速度一般为每秒几公里，图中碎片的最高速度达10公里/秒。图5-4爆炸碎片对卫星的冲击模拟4结构的热变形计算分析卫星飞船和空间站在外层

8、空间运行时，外部环境温度变化幅度大，必然引起结构的热变形。尤其是天线，完全暴露在外层空间中，面积较大，热变形会更严重，这必然降低天线的指向精度，引起指向偏转，严重影响卫星飞船和空