基于ANSYS的卫星推进剂贮箱有限元分析

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1、制造技术研究2013年12月第6期基于ANSYS的卫星推进剂贮箱有限元分析李玉峰靳庆臣刘志栋栗刚（兰州空间技术物理研究所，兰州730000）摘要：以某卫星推进系统表面张力贮箱为研究对象，介绍了一种薄壁壳体的ANSYS有限元建模方法，并运用其完成贮箱壳体的静力学分析、模态分析和稳定性分析，有效模拟贮箱空间环境适应性；分析了贮箱的主要性能影响因素，使其能够避免因设计结构不合理而造成的破坏、共振及失稳。结果表明：薄壁壳体的建模方法准确、合理；根据对结构的仿真计算，识别出薄弱区，可进一步针对薄弱点优化和完善设计。关键词：推进剂贮箱；ANSYS；静力学

2、分析；模态分析；稳定性分析FiniteElementAnalysisofaPropellantSatelliteTankBasedonANSYSLiYufengJinQingchenLiuZhidongLiGang(LanzhouInstituteofAerospaceTechnologyandPhysics,LanZhou730000)Abstract：Basedonapropellantsatellitesurfacetensiontank,afiniteelementmodelingmethodofathin-walltankwasin

3、troducedonANSYS,andstaticsanalysis,modalanalysisandstabilityanalysiscouldeffectivelysimulateenvironmentaladaptationonthespacecondition.Inaddition,theprimaryfactorstoinfluenceperformanceofproductwasanalyzedtomaketankavoiddestruction,resonanceandunstabilitybecauseofirrational

4、design.Resultsshowthat:themodelingmethodisaccurateandreasonable;thesimulationcanfindoutdesign’sweak-fieldsandmakethemgetoptimizationandperfection.Keywords：propellanttank；ANSYS；staticsanalysis；modalanalysis；stabilityanalysis1引言我国新型应用卫星的发展，对卫星推进剂贮箱的结构设计、安全性、寿命和功能等提出了更高的要求，结推进

5、剂贮箱是航天器推进系统的主要组成部分，构有限元分析数据为产品设计满足要求、缩短周期、其功能是在微重力条件下向轨控、姿控发动机输送不降低成本等提供了便利。目前国内贮箱设计普遍存在夹气的推进剂。在世界航天发展史上因为贮箱失效导安全余量较大，设计偏于保守，与国外同类产品相比致卫星寿命缩短、甚至发射失败的事故时有发生，从较，航天产品要求苛刻的重量等参数不具优势，因此十九世纪九十年代开始，各国的航天工业逐步进入产对贮箱壳体进行有限元分析以优化和验证结构是十业化，卫星的发展趋于集成化、系列化。早在1987分必要的。本文以ANSYS软件为分析平台，对某贮年

6、，美国McDonnellDouglasAerospace(MDA)公司就箱进行有限元分析，确定结构薄弱区，验证其合理性，开始了对碳纤维／环氧树脂复合材料超低温贮箱的根据分析数据调整和改进结构，达到优化设计的目[1]研究，制成了复合材料液氢贮箱。70年代初期，美的，并将已得到试验验证的分析方法介绍给读者，通国的通用动力公司研制成功了用于液氢和液氧推进过借鉴实现对同类产品的有限元分析验证和对推进[2]剂的表面张力贮箱。1987年，板式贮箱成功应用于剂贮箱特性的研究。[3，4]波音公司的静止轨道卫星平台HS601平台。随着作者简介：李玉峰（1981

7、-），工程师，机械设计专业；研究方向：航天器压力容器的设计与分析。收稿日期：2013-10-2410制造技术研究航天制造技术2贮箱模型但由于失稳过程本身是一种由对称状态转变为非对称状态的变形突变过程，而得到不对称的屈曲波形，在卫星推进贮箱结构设计中，静力学分析、模态并且柱形贮箱屈曲失稳主要体现在柱段筒体，封头部分析和稳定性分析结果往往是设计必不可少的三个位稳定性较好，可仅对筒体建模，模型见图12。依据参数，静力学分析确保贮箱具有合理的应力分布，模态分析避免贮箱产生共振，稳定性分析确保贮箱具有足够的刚度。本文以某一表面张力贮箱为分析对象，进行有

8、限元分析方法的介绍和分析结果的讨论，并将此方法有效推广至同类其他设计产品的分析图1推进剂贮箱1/4有限元模型和优化，为设计提供参考依据。该贮箱由两端半球形封头和中间