航天器结构力学仿真分析的若干问题

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1、第五届中国CAE工程分析技术年会航天器结构力学仿真分析的若干问题庄茁清华大学航天航空学院July28,2009兰州1目录1.航天运载工具的结构仿真问题2.在轨航天器的结构仿真分析2未来航天运输系统的发展目前，我国的航天发展思路是发展大型运载火箭、快速机动发射的小型运载火箭、先进上面级与轨道转移飞行器以及重复使用运载器（RLV）等。航天工程的需求对专业技术提出了新的挑战专业技术的发展将直接支持航天工程进步，对CAE技术也提出新的需求。航天飞行器的主要结构力学问题目前航天飞行器主要向“轻质、高强度材料的应用”、“承载优化结构设计”、“热-承力一体化设计”等几个方向发展。一般遇到如下问题：从

2、工程意义上：设计载荷细致程度不够。材料参数不全，缺乏完整的数据库（尤其热环境下）。结构优化设计手段不全，缺乏规范。结构细节强度缺乏分析和测试手段。热-力结构设计缺乏经验。疲劳设计尤其运输疲劳设计目前尚没有考虑。航天飞行器的主要结构力学问题实际遇到的问题有集中应力无法测量、高热应变无法测量管路应力腐蚀导致振动环境下断裂水冲击下弹体结构局部强度破坏应力释放螺钉剪断初始应力+内压+温度+振动+冲击导致管路断裂整流罩端头帽在动压下局部破损飞行气动加热导致整流罩螺钉剪断气动力导致舵面断裂航天飞行器的主要结构力学问题技术需求复合材料结构系统功能验证、强度分析和考核、

3、可靠性试验和损伤评估技术。复合载荷作用/耦合环境条件下的结构强度机理分析和等效试验技术。结构失稳和强度破坏预示技术结构强度试验和理论计算数据相关性评价技术构件细观损伤检测和使用寿命预估技术。数据库工程和数字虚拟试验技术。纤维增强复合材料的低速冲击实验与仿真C-scanmapsofdelaminationdelaminationafterGlass/orimpactusedultrasonicGraphite/epoxyflawdetectorlaminates应用：应用：复合材料仪器舱在热－机械耦合加载下的屈曲问题r=10mm1248r=10mmR5762.5mm铝框1126

4、2mm碳纤维面板60o16mm2.5mm蜂窝(加填充剂)蜂窝2600(°C)16节点Wilson单元相对自由度层合单元过渡单元航天飞行器的主要结构力学问题在设计过程中，结构动力学关系到动态载荷及强度，包括激励载荷、结构响应载荷，结构寿命；关系到稳定性，包括控制稳定性，POGO稳定性、颤振稳定性、管路自激振荡稳定性；结构动力学分析技术主要包括以下五个方面：1.激励载荷计算与识别；2.结构计算模型的建立与分析；3.动态特性测试；4.计算模型修正与动态优化；5.结构系统振动控制。结构动力学外载荷分类激励类型动力学环境低频瞬态激励运输，地震，火箭发动机点火过压，起飞释放，发动机推力瞬变，机

5、动动作，级间/头罩分离，飞行过程中的操控动作，表面穿透，导弹出筒（轨），导弹出水低频随机激励运输，风和湍流，箱体内液体晃动准周期激励运输，发动机间歇燃烧，POGO，固体发动机压力振荡，箭载设备外声场噪声激励发动机声场噪声外气动噪声激励气动源，星际降落，进入大气层内声场噪声激励发动机声场噪声,气动源，星际降落，进入大气层结构传播式振动激励发动机产生的振动，箭载仪器产生的振动高频瞬态激励爆炸分离，流星体撞击结构动力学方面的问题强度类：导弹出筒、出水时结构响应及结构强度筒段受水冲击的结构强度飞行高频振动和冲击导致管路断裂弹体运输的振动冲击响应和疲劳断裂发动机燃烧振荡的高频振动使发动机

6、壳体产生裂纹稳定性类弹体弹性振动和控制系统耦合导致振动发散弹体结构和液体输送管路及发动机耦合导致振动发散-POGO管路气体与减压器弹性元件耦合产生振荡导致结构破坏火箭POGO振动的机理POGO产生机理POGO现象是液体火箭在上升段，由箭体结构的模态振动和液体发动机推进系统的固有动态特性相互耦合，形成了正反馈而引起的动力学不稳定现象。POGO现象是箭体结构、液体推进剂输送管路系统及发动火箭纵向加速度的机系统三个部分所组成的闭POGO“发散”示意图合回路系统的自激振动现象。火箭POGO振动时域和频域数据Y3P01YQM箭体纵向一阶频率试验结果外推数据（Cb=0.02）低通滤波后数据

7、试验结果外推数据（Cb=0.04）1ZD2CFX-0101-10.510010511011512012513013514001ZD2CFX-021400120-11001051101151201251301351401ZD2CFX-03100g0振动（）80-1100105110115120125130135140160ZD2CFX-040144012-1101001051101151201251301351401时间s208ZD2