卫星桁架结构跨尺度热-力耦合优化设计与分析

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1、３０中国空间科学技术２０１５年８月ChineseSpaceScienceandTechnology第４期卫星桁架结构跨尺度热—力耦合优化设计与分析１１１２马健张宏宇闫亮冉治国（１北京空间飞行器总体设计部，北京１０００９４）（２北京机械设备研究所，北京１００８５４）摘要卫星飞行过程中，高精度测量设备的复合材料支撑结构经历多种温度环境，影响结构的热稳定性。为对其热学性能进行研究，综合考虑热—力耦合优化设计，首先，发展了复合材料热膨胀系数跨尺度数值模型。在微观模型中，通过建立代表性体积单元（RepresentativeVolumeElement，RVE）模型，由纤维热膨胀系数计算得到单向复

2、合材料热膨胀系数；建立复合材料构件宏观模型，采用微观模型计算得到的热膨胀系数对宏观模型进行分析与计算。为验证复合材料热膨胀系数跨尺度数值模型的正确性，对复合材料管件的热膨胀性能进行了试验测试，测试结果与数值计算结果具有很好的一致性。其次，对卫星桁架杆件进行热稳定性优化设计与分析，综合考虑管件的热膨胀系数与刚度的约束条件，采用具有二阶收敛特性的共轭梯度法对复合材料构件的铺层进行优化设计，发展了复合材料桁架结构热—力耦合优化设计流程。最后，针对某卫星天线桁架支撑结构进行了定热膨胀系数设计与分析，结果表明采用跨尺度热—力耦合优化设计方法得到的热变形量远小于天线支撑结构给定的指标。该方法可用

3、于卫星复合材料桁架结构热稳定性设计与分析。关键词桁架结构；跨尺度；优化设计；热稳定性；代表性体积单元；热膨胀系数；卫星DOI：１０畅３７８０／j畅issn畅１０００‐７５８X畅２０１５畅０４畅００５１引言卫星飞行过程中，平台及支撑结构将经历多种温度环境，影响结构的热稳定性；为满足卫星高精度测量设备及高分辨率有效载荷的设计安装要求，对平台及支撑结构的热稳定性提出了更高的要［１‐３］求。复合材料由不同的组分组成，各组分对复合材料结构热稳定性的影响至关重要。采用试验的方法对材料的热性能进行分析成本较大，通过数值模拟对材料的热性能进行分析是工程上可行的方法。通过建立复合材料热性能分析的跨尺度

4、计算模型，由复合材料微观尺度的热膨胀系数得到结构宏观尺度的热性能，对研究复合材料结构的热分析具有非常重要的意义。文献［４‐５］通过有限元方法，系统地研究了单向复合材料的线性热膨胀系数，为数值方法在复合材料热膨胀性能的应用提供了新的思路，但分析对象仍局限于线性热膨胀系数。文献［６］采用三维微观力学建模方法，对宏观各向同性的金属‐陶瓷复合材料的热膨胀性能进行了研究，三维模型可以得到更精确的复合材料的热膨胀性能，但该文献只给出了各向同性材料的数值分析方法。文献［７］建立了三维编织复合材料的代表性体积单元（RepresentativeVolumeElement，RVE）模型对复合材料热膨胀系

5、数进行预测，进一步提高了热膨胀系数的计算精度。文献［８］建立了表征编织复合材料的RVE模型，并从理论上推导了高温热载荷下的各向异性材料属性的表达式。文献［９］施加温度场于６８％纤维体积含量的RVE模型上，将得到的纤维和基体热应力进行体积平均，进而得到各组分的平均应变，求出的国家重大科技专项工程资助项目收稿日期：２０１４‐１２‐１２。收修改稿日期：２０１５‐０５‐２０２０１５年８月中国空间科学技术３１RVE热膨胀系数即是单向复合材料的热膨胀系数。文献［１０］用商业有限元软件ANSYS对单向纤维增强的复合材料进行建模，计算得到复合材料轴向与横向热膨胀系数。综合以上的文献，对于热膨胀系数的

6、计算，现在常用的有限元模型一般是先假设截面纤维呈某种形式的分布，然后再取出其中的部份RVE来作分析。但目前对热膨胀系数的计算主要集中在单向复合材料轴向或横向热膨胀系数的预测，对于建立复合材料微观材料特性与复合材料结构件热膨胀系数之间的联系，并根据计算得到的热膨胀系数值对复合材料铺层进行优化设计，则未见报道。本文采用纤维随机分布法生成RVE，通过微观模型计算得到单向复合材料热膨胀系数；建立复合材料结构宏观模型，由微观模型计算得到单向复合材料热膨胀系数对宏观模型进行热稳定性分析。最后，采用本文的方法对某高分辨率对地观测卫星天线支撑结构进行热稳定性设计与分析，为卫星复合材料结构的热稳定性设

7、计提供了工程参考方案。２跨尺度热—力耦合优化方法复合材料桁架结构跨尺度热—力耦合优化方法包括复合材料热膨胀系数跨尺度数值模型以及热—力耦合优化方法，本文研究对象为线膨胀系数。复合材料热膨胀系数跨尺度数值模型以纤维微观性能为输入（包括纤维热膨胀系数及纤维体积含量），通过RVE模型计算出复合材料热膨胀系数；建立复合材料构件（如圆管、方管等）有限元模型，通过复合材料热膨胀系数及复合材料构件铺层方式得到复合材料宏观热性能，包括纵向及横向热膨胀系数。复合材料热稳定性