百公斤级微小卫星的主承力框架结构设计方法技术

本发明专利技术公开了一种百公斤级微小卫星的主承力框架结构设计方法，这种百公斤级卫星借助四点固定式分离机构固定于运载火箭，包含常见的星载单机，并配置一个固体推进系统用于本卫星的在轨机动。本发明专利技术通过分析总装单机布局要求确定各个舱板的设计方式，将拓扑优化设计的舱板与常规设计的舱板相结合，设计了满足工况要求的一种百公斤级微小卫星的主承力框架结构。本发明专利技术创新点在于：通过合理的拓扑优化的舱板和常规设计的舱板相结合的设计，在满足各个工况条件的基础上，设计了一种易机加工、生产制作周期短、铝合金材质的轻型百公斤级微小卫星的主承力框架结构。卫星的主承力框架结构。卫星的主承力框架结构。

【技术实现步骤摘要】
百公斤级微小卫星的主承力框架结构设计方法


[0001]本专利技术涉及空间科学、结构设计领域，尤其是涉及一种百公斤级微小卫星的主承力框架结构设计方法。

技术介绍

[0002]1957年10月4日，第一个人造地球卫星由苏联发射上太空，这标志着人类进入了太空时代。20世纪80年代以来，随着微电子、微机械、轻型材料、精密加工和高效能源等基础技术的迅速发展，促进了星载遥感器、探测器、通信转发器、计算机以及保障系统仪器、设备、部件的小型化，使得卫星小型化在世界上成为航天领域的热点。
[0003]现代微小卫星不是传统卫星的按比例缩小，而是对传统卫星技术的突破、变革和集成、改进后的产物，是当今空间技术、电子技术、计算机技术、光学技术及遥感技术高度综合的结晶。现代微小卫星的本质在于它是一种具有高功能密度的小卫星，功能与同类大卫星相当，其尺寸与重量相对于传统卫星要低几个数量级。按照质量对卫星进行划分，有以下几类：
[0004]表1
[0005][0006]现代小卫星具有许多大卫星所无法比拟的优点。发射方式灵活可靠，能够机动发射、生存能力强，工作轨道高度低；体积小，重量轻，功能密度高，系统投资少；结构简单、设计研制开发周期短、制造要求条件不高，风险小，可以采用标准化星体和模块化设计，从而可以批量生产和存储，便于即时发射和补充。
[0007]结构优化设计的目的在于寻求既安全又经济的结构形式，而结构形式包括了关于尺寸、形状和拓扑等信息。对于试图产生超出设计者经验的有效的新型结构来说，优化是一种很有价值的工具。优化的目标通常是求解具有最小重量的结构，同时必须满足一定的约束条件，以获得最佳的静力或动力等性态特征。其中拓扑优化是指寻求结构刚度在设计空间最佳的分布形式或结构最佳的传力形式，其主要用于求解工程结构受力、位移等的最合理形式，有助于发掘目前还未知的最优结构拓扑。拓扑优化的目的是寻求结构的刚度在设
计空间最佳的分布形式，或在设计域空间寻求结构最佳的传力路线形式，以优化结构的某些性能或减轻结构的重量。
[0008]卫星结构有杆系结构、板式结构、壳体结构等，而现有百公斤级卫星多为蜂窝箱板式结构，由于其埋件分布的特殊性，使得卫星用蜂窝板加工周期长。为本专利技术设计的结构舱板为纯金属结构，加工周期可以压缩至2周以内，降低了生产成本且不需要详细对舱板上的各掏空部分进行出图，大大降低了设计工作量和加工生产时间，使得百公斤级卫星工厂成为可能。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的在于提供一种百公斤级微小卫星的主承力框架结构设计方法，通过合理的拓扑优化的舱板和常规设计的舱板相结合的设计，在满足各个工况条件的基础上，设计了一种易机加工、生产制作周期短、铝合金材质的轻型百公斤级微小卫星的主承力框架结构，使得加工周期大大缩短，将加工周期控制在了两周以内。
[0010]实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种百公斤级微小卫星的主承力框架结构设计方法，步骤如下：
[0011]步骤1，分析总装布局要求，结构坐标系方向与总体坐标系布局一致，+X 方向为卫星在轨飞行方向，+Z方向为卫星在轨飞行对地方向，+Y由+X和+Z由右手法则确定。
[0012]所述百公斤级微小卫星的主承力框架由7个舱板构成，分别为
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X舱板、+X 舱板、中X舱板、
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Y舱板、+Y舱板、
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Z舱板和+Z舱板；+Y舱板、
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Z舱板、
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Y舱板和+Z舱板均为长方形，并沿顺时针方向围成两端开口的子框架，
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X舱板、中X舱板和+X舱板依次等间距设置在子框架内，其中
‑
X舱板和+X舱板位于子框架的开口端。
[0013]确定各舱板上的单机情况，确定各舱板的设计方式：拓扑优化设计的
‑
X舱板，以及常规设计的+X舱板、中X舱板、
‑
Y舱板、+Y舱板、
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Z舱板和+Z舱板。
[0014]步骤2，建立整星有限元分析模型，进行空间变轨的力学条件加载，对主要承载固体推进系统(9)的
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X舱板进行拓扑优化仿真分析，得到拓扑优化有限元分析结果。
[0015]步骤3，参考拓扑优化有限元分析结果，对
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X舱板进行细化设计，设计原则为，细化后的
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X舱板的边界平整规则易加工，并且外包络大于拓扑优化分析结果模型。
[0016]步骤4，对舱板进行常规设计，对应每个单机，在其所在常规设计的舱板上设计一个中空矩形区域作为单机安装面，根据各单机质量设计舱板边缘距离其对应单机安装部位的间距，将各中空矩形区域连接以完成各舱板的常规设计。
[0017]本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：通过合理的拓扑优化的舱板和常规设计的舱板相结合的设计，在满足各个工况条件的基础上，设计了一种易机加工、生产制作周期短、铝合金材质的轻型百公斤级微小卫星的主承力框架结构，使得加工周期大大缩短，将加工周期控制在了两周以内。
附图说明
[0018]图1是本专利技术一种百公斤级微小卫星的主承力框架结构的结构示意图。
[0019]图2是本专利技术一种百公斤级微小卫星的主承力框架结构的，含各个单机和分系统结构件的总结构示意图。
[0020]图3是本专利技术的拓扑优化设计前的带固体推进系统的
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X侧舱板。
[0021]图4是本专利技术的带固体推进系统的
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X侧舱板的拓扑优化结果。
[0022]图5是本专利技术的拓扑优化设计的
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X侧舱板再建模舱板。
[0023]图6是本专利技术的拓扑优化设计的带固体推进系统的
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X侧舱板。
[0024]图7是本专利技术的常规设计前的带单机的+X侧舱板。
[0025]图8是本专利技术的常规设计的带单机的+X侧舱板。
[0026]图9是本专利技术的常规设计的+X侧舱板局部放大图。
[0027]图10是本专利技术的常规设计的+X侧舱板。
具体实施方式
[0028]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0029]结合图1和图2，一种百公斤级微小卫星的主承力框架结构设计方法，步骤如下：
[0030]步骤1，分析总装布局要求，结构坐标系方向与总体坐标系布局一致，+X 方向为卫星在轨飞行方向，+Z方向为卫星在轨飞行对地方向，+Y由+X和+Z由右手法则确定。
[0031]所述百公斤级微小卫星的主承力框架由7个舱板构成，分别为
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X舱板1、 +X舱板2、中X舱板3、
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Y舱板4、+Y舱板5、
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Z舱板6和+Z舱板7；+Y舱板5、
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Z舱板6、
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Y舱板4和+Z舱板7均为长方形，并沿顺时针方向围成两端开口的子框架，
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X舱板1、中X舱板3和+X舱板2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种百公斤级微小卫星的主承力框架结构设计方法，其特征在于，步骤如下：步骤1，分析总装布局要求，结构坐标系方向与总体坐标系布局一致，+X方向为卫星在轨飞行方向，+Z方向为卫星在轨飞行对地方向，+Y由+X和+Z由右手法则确定；所述百公斤级微小卫星的主承力框架由7个舱板构成，分别为
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X舱板（1）、+X舱板（2）、中X舱板（3）、
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Y舱板（4）、+Y舱板（5）、
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Z舱板（6）和+Z舱板（7）； +Y舱板（5）、
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Z舱板（6）、
‑
Y舱板（4）和+Z舱板（7）均为长方形，并沿顺时针方向围成两端开口的子框架，
‑
X舱板（1）、中X舱板（3）和+X舱板（2）依次等间距设置在子框架内，其中
‑
X舱板（1）和+X舱板（2）位于子框架的开口端；确定各舱板上的单机（8）情况，确定各舱板的设计方式：拓扑优化设计的
‑
X舱板（1），以及常规设计的+X舱板（2）、中X舱板（3）、
‑
Y舱板（4）、+Y舱板（5）、
‑
Z舱板（6）和+Z舱板（7）；步骤2，建立整星有限元分析模型，进行空间变轨的力学条件加载，对主要承载固体推进系统的
‑
X舱板（1）进行拓扑优化仿真分析，得到拓扑优化有限元分析结果；步骤3，参考拓扑优化有限元分析结果，对
‑
X舱板（1）进行细化设计，设计原则为，细化后的
‑
X舱板（1）的边界平整规则易加工，并且外包络大于拓扑优化分析结果模型；步骤4，对舱板（2~7）进行常规设计，对应每个单机（8），在其所在常规设计的舱板（2~7）上设计一个中空矩形区域作为单机（8）安装面，根据各单机（8）质量设计舱板边缘距离其对应单机（8）安装部位的间距，将各中空矩形区域连接以完成各舱板（2~7）的常规设计。2.根据权利要求1所述的百公斤级微小卫星的主承力框架结构设计方法，其特征在于，在步骤1中，确定各舱板上的单机（8）情况，确定各舱板的设计方式，具体如下：步骤1.1，确定整星框架尺寸：设卫星整体框架X向长度l = 880mm，Y向宽度w = 480mm，Z向高度h = 480mm，舱板设计的初始厚度t = 10mm；步骤1.2，根据单机（8）与受力特征确定需拓扑优化的舱板；所述百公斤级微小卫星共包含22个单机（8），以“第n单机”表示，其中单机序号n = 1 ~ 22；根据各舱板上载有的单机个数i以及是否载有固体推进系统（9），来判定舱板设计属于拓扑优化设计还是常规结构设计，对于非分离机构面，且该面上单机（8）的个数i ≤ 2，载有固体推进系统（9）的
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X舱板（1），选用...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖文和，王源麟，杨海波，张翔，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：