【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于航天，涉及一种考虑热荷载影响的航天器等效动力学建模方法。
技术介绍
1、为满足天基遥感任务中对微小目标高时空分辨率监视要求，柔性航天器不断朝着大尺寸、轻量化目标发展。复杂热环境会影响航天器的结构振动，并且随着结构柔性的增强，该影响逐渐增强。针对超大尺度柔性天线桁架结构，为实现航天器振动控制器设计，需建立考虑热荷载作用下的准确高效的动力学模型。
2、目前，针对航天器中柔性结构动力学响应的快速求解，常采用基于能量等效原理的动力学建模方法，该方法通过简单的推导过程可将复杂的柔性结构等效为简单的连续体结构，极大地降低了动力学方程的维度。以桁架横截面的形心的连线作为中性轴，根据柔性结构的材料参数和尺寸采用中性轴上的位移分量来建立柔性结构的应变能和动能表达式，此外构造经典梁结构的能量表达式，令两者相等，获得梁模型中待定材料参数，即与柔性结构动力学相同的等效梁模型。根据简单的梁，可采用有限元方法建立维数较低的动力学方程。但是，现有的等效建模方法仅仅对结构力学参数进行等效，只建立动力学模型，未进行结构材料热参数等效，无法进行结构高效的热力学计算，因此无法实现热载荷作用下的结构动力学高效求解。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是解决复杂热环境下，热荷载对超大尺度航天器柔性结构振动影响，导致结构动力学响应无法快速准确求解的问题。
2、为了解决以上问题，本专利技术的技术方案在于提供一种考虑热荷载影响的航天器等效动力学建模方法，包含以下步骤：
3、步骤s
4、步骤s2、建立热流平衡方程，构造等效梁的热吸收率；
5、步骤s3、构造等效梁的辐射系数、热传导系数以及比热容；
6、步骤s4、构造等效梁的热膨胀系数；
7、步骤s5、建立热荷载影响下的结构动力学方程。
8、其中，基于等效连续体建模方法，将卫星天线桁架结构等效为梁模型，获得等效梁的材料属性和几何尺寸；根据等效梁与桁架在相同时间内吸收热量相同，计算等效梁热吸收率；然后，构建结构吸收热量、向空间辐热量、传导热量以及结构内部存储的热量之间的平衡方程，以等效梁与桁架温度相同作为目标约束条件，采用多目标优化算法确定等效梁模型的辐射系数、热传导系数和比热容。根据结构在热流作用下的结构变形，计算产生相同变形需要的热力矩。考虑等效梁与桁架受到相同的热力矩作用，推导等效梁的热膨胀系数。最后，基于有限元方法建立等效梁热传导方程获得结构温度分布，将计算热弯矩作为外力矩代入动力学方程，实现热荷载作用下结构动力学响应分析。
9、优选的，所述步骤s1中，为更准确地描述卫星天线结构位移，引入修正系数，构造适合天线桁架结构的位移表达式。由于桁架发生约束扭转时，截面翘曲会引发横向位移。这与薄壁结构自由扭转引起的横向位移存在差异，因此在横向位移表达式中引入系数kx进行修正，即式中φx为绕x轴的旋转角，y和z是在两个方向上的坐标。桁架天线中周期单元由多个杆件组成，横截面为组合断面，且任意位置处截面特征也在不断变化，很难通过物理机理确定出截面系数k的解析表达式。因此，采用待定截面影响系数ky和kz，将横向剪切位移修正为vs＝xkyγxy，vs＝xkzγxz，式中γxy和γxz为xy平面和xz平面内的剪切应变。由剪切效应产生的附加弯曲不仅与弯曲位移有关，与截面系数k也有关。由于无法确定截面系数k解析表达式，可以引入待定系数βy和βz来表示vbs和vb以及wbs和wb的关系，即vbs＝βyvb，wbs＝βzwb。在以下内容中统一将kx称为扭转修正系数，ky和kz称为剪切修正系数，βy和βz称为弯曲修正系数。
10、根据修正后的位移构造周期单元上任一点(x,y,z)的位移表达式：
11、
12、根据上式获得结构应变和速度表达，建立桁架周期单元结构应变能和动能。将周期单元等效为各向异性连续梁模型，建立梁的标准应变能和动能表达式。根据能量等效原理，桁架周期单与等效梁应变能和动能相等，即相同变量对应的系数相等，可获得由桁架材料参数、几何尺寸以及修正系数表达的等效梁的弹性参数和惯性参数。
13、基于等效梁材料参数，建立固有频率解析表达式。通过专业仿真软件对整体桁架结构进行有限元分析获取全阶模型固有特性，以等效梁模型与桁架结构的前10阶频的均方根误差作为目标函数，采用粒子群优化算法确定修正系数kx、ky、kz、βy和βz，代入等效梁的弹性参数和惯性参数表达式，最终获得由桁架材料参数、几何尺寸表征的修正等效梁模型材料参数。
14、优选的，所述步骤s2中，航天器在热荷载作用下，存在结构吸收热流、向空间辐射的热流、传导热流以及结构内部存储的热流之间的平衡。为获得与桁架结构等效的梁模型，可认为桁架吸收热量等于等效梁模型吸收热量由于桁架结构中隔板受到热荷载后其结构变形较小，对整体结构振动的影响可以忽略，因此仅考虑桁架中纵梁和阵面吸收的热量，
15、
16、式中，a为吸收率、为太阳辐射热流，st为桁架结构中纵梁受热表面积。
17、考虑由此可直接确定等效梁的热吸收率,
18、
19、式中，se为等效梁受热表面积。
20、优选的，所述步骤s3中，辐射热量结构传导热量和结构存储能量公式如下：
21、
22、
23、
24、并根据热流平衡公式可获得相关的热量平衡方程：
25、
26、采用专业仿真软件，获得桁架结构在热荷载作用下温度分布，由于三根纵梁温度分布基本一致，认为等效梁的温度分布te与其中一根纵梁tt相同，因此，以结构表面温设定目标约束条件:
27、
28、并采用多目标优化算法确定等效梁模型的辐射系数εe、热传导系数ke和比热容
29、优选的，所述步骤s4中，为考虑热荷载对结构振动的影响，在桁架结构自由端施加假设弯矩，该力矩使结构产生的变形与热荷载导致的变形一致，将该假设力矩称为热弯矩。根据热弯矩计算公式，分别计算三根纵梁热弯矩，并获得桁架结构总热弯矩式中，上标i表示第i根纵梁，αt为热膨胀系数，e为弹性模量，z为距离中心轴的距离，a为微元面积，t0为初始温度。
30、根据等效梁温度分布计算热弯矩等效模型应该与桁架结构具有相同的外力矩作用，即me＝mt，由此可计算出等效梁的热膨胀系数αe。
31、优选的，所述步骤s5中，在获得等效梁模型外形尺寸后，根据空间梁柱的有限单元法，采用2节点8自由度单元对等效梁进行网格划，通过单元矩阵组装获得全局刚度矩阵k和质量矩阵m，等效梁结构动力学方程可写为其中d为所有节点的位移向量，f为结构受到的外力。
32、根据获得等效梁模型的热吸收率、辐射系数、热传导系数以及比热容，采用有限元方法建立结构热传导有限元方程其中q0为热载荷，r为辐射交换矩阵。
33、通过结构热传导本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种考虑热荷载影响的航天器等效动力学建模方法，其特征在于，包含：
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中，空间梁中任意一点的位移分量
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中，还包括：
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中，航天器在热荷载作用下，存在结构吸收热流、向空间辐射的热流、传导热流以及结构内部存储的热流之间的平衡；为获得与桁架结构等效的梁模型，认为桁架吸收热量等于等效梁模型吸收热量其中上标T代表桁架，E代表等效梁；忽略桁架结构中隔板受到热荷载后的结构变形和对整体结构振动的影响，仅考虑桁架中纵梁和阵面吸收的热量，
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中，辐射热量结构传导热量和结构存储能量为：
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中，为考虑热荷载对结构振动的影响，在桁架结构自由端施加假设力矩，该假设力矩使结构产生的变形与热荷载导致的变形一致，将该假设力矩称为热弯矩；根据热弯矩计算公式，分别计算三根纵梁热弯矩，并获得桁架结构总热弯矩p>
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S5中，在获得等效梁模型外形尺寸后，根据空间梁柱的有限单元法，采用2节点8自由度单元对等效梁进行网格划，通过单元矩阵组装获得全局刚度矩阵K和质量矩阵M，等效梁结构动力学方程写为其中d为所有节点的位移向量，F为结构受到的外力；
...【技术特征摘要】
1.一种考虑热荷载影响的航天器等效动力学建模方法，其特征在于，包含：
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤s1中，空间梁中任意一点的位移分量
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤s1中，还包括：
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤s2中，航天器在热荷载作用下，存在结构吸收热流、向空间辐射的热流、传导热流以及结构内部存储的热流之间的平衡；为获得与桁架结构等效的梁模型，认为桁架吸收热量等于等效梁模型吸收热量其中上标t代表桁架，e代表等效梁；忽略桁架结构中隔板受到热荷载后的结构变形和对整体结构振动的影响，仅考虑桁架中纵梁和阵面吸收的热量，
5.如权利要...
【专利技术属性】
技术研发人员：晏筱璇，孙俊，田路路，孙杰，孟亦真，
申请(专利权)人：上海航天控制技术研究所，
类型：发明
国别省市：
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