太阳电池阵铰链机构刚度等效方法

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1、第27卷第4期航天器环境工程2010{II8』JSPACE(’RAFTIN＼7IRONMENTFNGINEFRING467太阳电池阵铰链机构刚度等效方法吴远波1，一，杜江华2(1．上海交通大学机械与动力工程学院，上海200030：2．上海卫星工程研究所，上海200240)摘要：组成铰链机构的各铰链均为可活动的部件，给太阳电池阵的建模和分析带来很大难度。文章采取试验测定铰链机构刚度并直接代入太阳电池阵有限元模型的方法，通过与试验对比，确定等效的铰链机构刚度值，可大大提高太阳电池阵的建模和分析的精度。关键词：铰

2、链机构；刚度；太阳电池阵；模态验证中图分类号：7442：0241．82文献标识码：A文章编号：1673-1379(2010)04-0467-05DoI：10．39690．issn．1673-1379．2010．04．013O前言卫星太阳电池阵一般由若干贴有太阳电池片的基板组成，各基板之间以及太阳电池阵和星体之间通过铰链连接，铰链上装有盘簧，用于产牛驱动力矩。在地面运输及发射过程中，太阳电池阵收拢并压紧在卫星表面。正常工作时，太阳电池阵通过盘簧产生的力矩自动展开到位并锁定Ⅲ。太阳电池阵收拢和展开状态的模态参数

3、(同有频率、振型等)是太阳电池阵结构设计重要的技术要求之一。为此，设计过程中需要对其进行动力学建模和仿真分析，获取模态参数。运用有限元法，可以较准确地对基板、连接架等结构元件建模，但如何准确地模拟复杂的铰链一直是太阳电池阵模态分析面临的最大难题。事实表明，铰链刚度对于太阳电池阵展开状态的模态参数具有决定性影响。本文研究了铰链等效的几种典型方法，并将直接刚度测量中所采取的分析方法与试验相结合，确定一个等效的铰链机构的刚度，通过某型号太阳电池阵展开状态模态的计算对其进行比较验证。l铰链结构典型铰链机构模型如图l

4、所示。铰链机构是由众多零部件组成的-日，活动部件，因而必定存在对铰链刚度产生影响的间隙、滑移和弹性接触等诸多因素。铰链机构集活动机构副功能与连接结构功能于一体，造成了太阳电池阵的展开处于非线性状态。对此，既需要从理论上进行分析，也需要一种工程上适用的简单可行的处理方法。图l典型铰链的展开模犁Fig．1Themodelofatypicalexpandinghinge2铰链机构的等效方法2．1等效梁方法将铰链简单地等效为梁单元是甲．期太阳电池阵模态分析时常用的方法之一，梁单元的材料一般与公铰和母铰的结构材料相同

5、。通常有两种方法确定梁单元的刚度：1)根据实际太阳电池阵模态试验所得到的大量工程经验，确定梁单元的截面形状；2)根据刚度等效的方法来直接计算梁单元截面的面积、惯性矩等特性参数。梁单元的截面积A由试验测试的轴向拉仲刚度确定‘2】：4：型，其中瓦为试验测试的拉伸￡刚度，L为连接单元的长度，E为梁单元材料的弹性模量。梁单元的截面惯性矩，由试验测试相应的弯收稿日期：2010．01．25：修回日期：2010．02—23作者介绍：昊远波(1978一)，男，主要从事太阳电池阵结构与机构的设计和分析工作。E—mail：yu

6、anbowu@sina．tom。航天器环境工程第27卷曲刚度确定‘21：，：Ko_A，E弯曲刚度。2．2等效弹簧及刚度识别其中肠为试验测试的的边界节点的位移矢量)和Q(即子结构R和S的边界节点力矢量)，则由式(2)可求得等效弹簧T的刚度系数p】：将单个铰链简化为两端结点各有6个自由度的弹簧单元T，通过两个铰链副连接的子结构(两块板)R和S(图2)，弹簧单元的等效弹簧T的刚度系数为‰、‰、k、‰、‰、‰，等效弹簧长度为，。圈争“图2组合结构Fig．2Combinations订uctⅧ『eofahinge一般认

7、为系统垂直于板面的弯曲振动与板面内的摆动不耦合，则等效弹簧T的单元刚度矩阵可划分为互不耦合的两部分【3】：I屯Io屯对称【叫4氐q／／2。0Ⅷ／q／／2厨屯0吨00‰【．-kd／20—‰+氏∥／矽V／20‰+农∥／292c-r，。==[‘气1。。j。：：，。]。上述系统作自由振动时，对于连接子结构的等效弹簧T，其运动方程可表示为(【置卜-032[MI’)∽‘={Q}I’(1)式中：上标t表示等效弹簧T；U即为子结构R和S的边界节点在“方向上的位移矢量；Q即子结构R和S的边界节点力矢量。忽略弹簧的惯性效应(低

8、频振动时∞很小)，有：[五]‘{“)‘={Q)。。(2)若可以求得振动试验时的U(即子结构R和Sp辐’卜矿铂’p矿带南飞一褊ab’卜褊‰一褊。有多种不同的方法可以求得“‘和Qt。对子结构R和S，可以同样列出如式(1)的子结构运动方程，将其子结构自由度按子结构内部节点的可测量线位移与不可测量角位移及待识别的界面节点位移分块处理，并令子结构内部节点力矢量为0，可由子结构运动方程及可测量自由度位移求出界面节点力矢量及界