一种航天器桁架结构热稳定性优化设计方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种航天器桁架结构热稳定性优化设计方法和系统，其中，所述方法包括：根据材料特性获取纤维及基体热膨胀系数，并计算单层板的力学与热膨胀性能；根据所述单层板的力学与热膨胀性能，建立热膨胀系数、刚度和铺层三者之间的函数关系；根据所述函数关系，求出给定目标与约束条件下的管件设计参数，以及所需热膨胀系数的碳纤维复合材料管件的铺层方式，以实现定热膨胀性能管件的反向设计。通过本发明专利技术，可在给定材料与管件尺寸的情况下，反向计算出满足设计要求的复合材料管件的铺层形式，提高了复合材料结构设计水平。

A method and system for optimal design of thermal stability of spacecraft truss structures

The invention discloses an optimization design method and system for thermal stability of spacecraft truss structure, wherein the method includes: obtaining thermal expansion coefficients of fiber and matrix according to material characteristics, calculating mechanical and thermal expansion performances of single-layer plates, establishing thermal expansion coefficients according to mechanical and thermal expansion performances of the single-layer plates. According to the functional relationship between stiffness and ply, the design parameters of the pipe fittings with given objectives and constraints and the ply mode of the CFRP pipe fittings with required thermal expansion coefficient are obtained to realize the reverse design of the pipe fittings with constant thermal expansion performance. By the invention, the laying form of the composite pipe fittings which meets the design requirements can be calculated in reverse under the condition of given material and pipe fittings size, and the design level of the composite pipe fittings can be improved.

【技术实现步骤摘要】
一种航天器桁架结构热稳定性优化设计方法和系统
本专利技术属于复合材料
，尤其涉及一种航天器桁架结构热稳定性优化设计方法和系统。
技术介绍
碳纤维增强树脂基复合材料具有优秀的热学与力学性能，从而在国民经济的各个领域得到广泛的应用；碳纤维复合材料是航空航天领域内最为重要的结构材料之一，其在国防武器装备、大型客机、导弹、运载火箭和人造卫星等上面的应用呈现出不断上升的趋势，并且其应用部位逐渐从次承力结构向主承力结构发展。在飞行器飞行过程中，其复合材料结构将经历多种温度环境，不同的温度将使得复合材料结构的形状尺寸等发生改变，而飞行器上某些重要部位对其外形、尺寸等的稳定性要求很高。大型空间平板天线需要使用可展开支撑桁架(ExtendibleSupportStructure，ESS)进行支撑，ESS对空间环境下的热变形要求较高，因此需要进行定热膨胀系数碳纤维复合材料结构的研制，其关键在于进行定热膨胀系数结构的设计。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种航天器桁架结构热稳定性优化设计方法和系统，可在给定材料与管件尺寸的情况下，反向计算出满足设计要求的复合材料管件的铺层形式，提高了复合材料结构设计水平。为了解决上述技术问题，本专利技术公开了一种航天器桁架结构热稳定性优化设计方法，包括：根据材料特性获取纤维及基体热膨胀系数，并计算单层板的力学与热膨胀性能；根据所述单层板的力学与热膨胀性能，建立热膨胀系数、刚度和铺层三者之间的函数关系；根据所述函数关系，求出给定目标与约束条件下的管件设计参数，以及所需热膨胀系数的碳纤维复合材料管件的铺层方式，以实现定热膨胀性能管件的反向设计。在上述航天器桁架结构热稳定性优化设计方法中，根据所述单层板的力学与热膨胀性能，建立热膨胀系数、刚度和铺层三者之间的函数关系，包括：根据单层板的力学与热膨胀性能，结合各已知铺层方式推算管件性能，得到在给定材料与铺层方式的条件下碳纤维复合材料管件的力学与热膨胀性能；根据在给定材料与铺层方式的条件下碳纤维复合材料管件的力学与热膨胀性能建立热膨胀系数、刚度和铺层三者之间的函数关系。在上述航天器桁架结构热稳定性优化设计方法中，通过如下式(1)和式(2)计算得到轴向热膨胀系数α1和径向热膨胀系数α2：其中：n1＝EmEf2Vm[υ23+(υ23+υ12)Vf+υmυ23Vm-(1+4υ23)υmυ12Vf]其中：Ef1表示纤维轴向弹性模量；Ef2表示纤维横向弹性模量；Vf表示纤维体积含量；υ12表示纤维面内泊松比；υ23表示纤维横向泊松比；af1表示纤维纵向热膨胀系数；af2表示纤维横向热膨胀系数：Em表示基体的弹性模量；Vm表示基体体积含量；υm表示基体的泊松比；am表示基体的热膨胀系数。在上述航天器桁架结构热稳定性优化设计方法中，通过如下式(3)计算得到热膨胀系数、刚度和铺层三者之间的函数关系：其中：[A]表示层合板拉伸刚度矩阵，表示中性面的各应变值，为第k层刚度矩阵；{α}k表示第k单层热膨胀系数，φ表示第k层的铺设角；α1、a2和α12分别表示单向层板纵向、横向及剪切热膨胀系数，ΔT表示温差；zk表示第k层的坐标值。在上述航天器桁架结构热稳定性优化设计方法中，所述根据所述函数关系，求出给定目标与约束条件下的管件设计参数，以及所需热膨胀系数的碳纤维复合材料管件的铺层方式，包括：根据所述函数关系，结合定膨胀系数优化设计模型，求出给定目标与约束条件下的管件设计参数，以及所需热膨胀系数的碳纤维复合材料管件的铺层方式。在上述航天器桁架结构热稳定性优化设计方法中，通过如下步骤建立定膨胀系数优化设计模型：定义目标函数：f(x1,x1...xN)＝abs(alpha_x_target*L*ΔT-disp_x)定义约束条件：A11>Ex定义周向热膨胀系数约束：定义设计变量：xi,i＝1,2...N其中：alpha_x_target和alpha_y_target分别表示复合材料管件在轴向与横向目标热膨胀性能；disp_x和disp_y分别表示管件任一点轴向与横向因热而产生的位移分量；A11和Ex分别为管件在轴向的实际刚度与期望刚度；L表示复合材料管件的长度；D表示复合材料管件的直径；ΔT表示温差；xi表示各铺层的角度。相应的，本专利技术还公开了一种航天器桁架结构热稳定性优化设计系统，包括：计算模块，用于根据材料特性获取纤维及基体热膨胀系数，并计算单层板的力学与热膨胀性能；建立模块，用于根据所述单层板的力学与热膨胀性能，建立热膨胀系数、刚度和铺层三者之间的函数关系；优化设计模块，用于根据所述函数关系，求出给定目标与约束条件下的管件设计参数，以及所需热膨胀系数的碳纤维复合材料管件的铺层方式，以实现定热膨胀性能管件的反向设计。本专利技术具有以下优点：航天器桁架结构定热膨胀系数计算方法是在确立零膨胀构件的理论设计计算模型，树脂配方研制，成型工艺技术研究及相关试验验证等的基础上，通过测试获取复合材料基本性能参数，提出高精度复合材料管热膨胀系数试验方法，对特定热膨胀系数的复合材料结构的设计和理论算法进行相应的应用研究，建立复合材料管性能分析方法及优化方法。本专利技术相比于现有技术，在给定材料与管件尺寸的情况下，能反向计算出满足设计要求的复合材料管件的铺层形式。附图说明图1是本专利技术实施例中一种航天器桁架结构热稳定性优化设计方法的步骤流程图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术公开的实施方式作进一步详细描述。参照图1，示出了本专利技术实施例中一种航天器桁架结构热稳定性优化设计方法的步骤流程图。在本实施例中，所述航天器桁架结构热稳定性优化设计方法，包括：步骤101，根据材料特性获取纤维及基体热膨胀系数，并计算单层板的力学与热膨胀性能。在本实施例中，基于微观热弹性力学计算，从最初的纤维与树脂的力学与热膨胀性能出发，预测单层板的力学与热膨胀性能。步骤102，根据所述单层板的力学与热膨胀性能，建立热膨胀系数、刚度和铺层三者之间的函数关系。步骤103，根据所述函数关系，求出给定目标与约束条件下的管件设计参数，以及所需热膨胀系数的碳纤维复合材料管件的铺层方式，以实现定热膨胀性能管件的反向设计。在本实施例中，根据所述函数关系，实现定热膨胀性能管件的反向设计，求出给定目标与约束条件下的管件设计参数，由步骤102得到的系数关系，设定边界条件，得到所需热膨胀系数的碳纤维复合材料管件的具体铺层方式。在本专利技术的一优选实施例中，可根据单层板的力学与热膨胀性能，结合各已知铺层方式推算管件性能，得到在给定材料与铺层方式的条件下碳纤维复合材料管件的力学与热膨胀性能；根据在给定材料与铺层方式的条件下碳纤维复合材料管件的力学与热膨胀性能建立热膨胀系数、刚度和铺层三者之间的函数关系。在本专利技术的一优选实施例中，可通过如下式(1)和式(2)计算得到纤维轴向热膨胀系数α1和径向热膨胀系数α2：其中：n1＝EmEf2Vm[υ23+(υ23+υ12)Vf+υmυ23Vm-(1+4υ23)υmυ12Vf]其中：Ef1表示纤维轴向弹性模量；Ef2表示纤维横向弹性模量；Vf表示纤维体积含量；υ12表示纤维面内泊松比；υ23表示纤维横向泊松比；af1表示纤维纵向热膨胀系数；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种航天器桁架结构热稳定性优化设计方法，其特征在于，包括：根据材料特性获取纤维及基体热膨胀系数，并计算单层板的力学与热膨胀性能；根据所述单层板的力学与热膨胀性能，建立热膨胀系数、刚度和铺层三者之间的函数关系；根据所述函数关系，求出给定目标与约束条件下的管件设计参数，以及所需热膨胀系数的碳纤维复合材料管件的铺层方式，以实现定热膨胀性能管件的反向设计。

【技术特征摘要】
1.一种航天器桁架结构热稳定性优化设计方法，其特征在于，包括：根据材料特性获取纤维及基体热膨胀系数，并计算单层板的力学与热膨胀性能；根据所述单层板的力学与热膨胀性能，建立热膨胀系数、刚度和铺层三者之间的函数关系；根据所述函数关系，求出给定目标与约束条件下的管件设计参数，以及所需热膨胀系数的碳纤维复合材料管件的铺层方式，以实现定热膨胀性能管件的反向设计。2.根据权利要求1所述的航天器桁架结构热稳定性优化设计方法，其特征在于，根据所述单层板的力学与热膨胀性能，建立热膨胀系数、刚度和铺层三者之间的函数关系，包括：根据单层板的力学与热膨胀性能，结合各已知铺层方式推算管件性能，得到在给定材料与铺层方式的条件下碳纤维复合材料管件的力学与热膨胀性能；根据在给定材料与铺层方式的条件下碳纤维复合材料管件的力学与热膨胀性能建立热膨胀系数、刚度和铺层三者之间的函数关系。3.根据权利要求1所述的航天器桁架结构热稳定性优化设计方法，其特征在于，通过如下式(1)和式(2)计算得到轴向热膨胀系数α1和径向热膨胀系数α2：其中：n1＝EmEf2Vm[υ23+(υ23+υ12)Vf+υmυ23Vm-(1+4υ23)υmυ12Vf]其中：Ef1表示纤维轴向弹性模量；Ef2表示纤维横向弹性模量；Vf表示纤维体积含量；υ12表示纤维面内泊松比；υ23表示纤维横向泊松比；af1表示纤维纵向热膨胀系数；af2表示纤维横向热膨胀系数：Em表示基体的弹性模量；Vm表示基体体积含量；υm表示基体的泊松比；am表示基体的热膨胀系数。4.根据权利要求1所述的航天器桁架结构热稳定性优化设计方法，其特征在于，通过如下式(3)计算得到热膨胀系数、刚度和铺层三者之间的函数关系：其中：[A]表示层合板拉伸刚度矩阵，表示中性面的各应变值，为第k层刚度矩阵；{α...

【专利技术属性】
技术研发人员：马健，刘凤晶，王成伦，余快，刘宁，孔祥皓，朱玛，
申请(专利权)人：北京空间飞行器总体设计部，
类型：发明
国别省市：北京,11