一種太陽帆結(jié)構(gòu)有限元快速建模與后處理方法
【專利摘要】一種太陽帆結(jié)構(gòu)有限元快速建模與后處理方法，（1）設(shè)置太陽帆構(gòu)型方式、支撐臂與帆面連接形式，在帆面上為支撐臂設(shè)置預(yù)留區(qū)域；（2）建立帶有預(yù)留區(qū)域的太陽帆帆面幾何模型；（3）設(shè)置支撐臂類型，預(yù)留區(qū)域生成支撐臂幾何模型；（4）建立太陽帆帆面以及支撐臂的有限元模型；（5）根據(jù)生成的太陽帆帆面以及支撐臂有限元模型，對二者進行有限元方式裝配；（6）在有限元模型上設(shè)置靜力學(xué)邊界條件與載荷工況；（7）計算支撐臂屈曲載荷，模擬慣性釋放的反向加速度，并將該反向加速度施加有限元模型上；（8）進行太陽帆靜力學(xué)求解，得到支撐臂最大變形和軸向壓力；（9）計算屈曲安全因子，根據(jù)屈曲安全因子判定構(gòu)建的太陽帆結(jié)構(gòu)方案的可行性。
【專利說明】一種太陽帆結(jié)構(gòu)有限元快速建模與后處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種結(jié)構(gòu)有限元快速建模與后處理方法，尤其適用于采用支撐臂與薄膜連接的大型超柔度太陽帆結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性分析。
【背景技術(shù)】
[0002]太陽帆是利用太陽在大面積薄膜上的反射光壓提供飛行動力的一種航天器。只要有太陽光存在的地方，它就可以一直加速，并最終能獲得比普通航天器大得多的速度，它不受燃料的限制，可以在太空中運行更長的時間，所以太陽帆航天器的產(chǎn)生對未來的空間探索具有十分重大的意義。
[0003]光壓力指向太陽帆的法線方向，因此通過控制太陽帆與太陽光線的夾角，可以改變光壓的大小，并且可以使光壓成為動力或者阻力，從而控制太陽帆航天器的飛行速度和角度。通過調(diào)整太陽帆的姿態(tài)，使太陽光壓力方向不在軌道平面內(nèi)，也可以改變其軌道傾角。因此，理論上太陽帆航天器可以到達太陽系內(nèi)的任意位置。太陽帆航天器一般由三個部分組成:薄膜帆面、支撐桿和控制中心體。帆面的作用是反射光子，為了獲得較大推力，帆面一般都比較大，而且表面具有很高的反射率。帆面通常由很輕薄的聚酯或聚酰亞胺等高分子材料制成，為大柔性結(jié)構(gòu)，其表面鍍鋁或銀。支撐桿用來支撐帆面，使其保持張開的狀態(tài)。控制中心主要是控制帆和支撐桿的展開，以及攜帶通信裝備等。太陽帆的大小隨要執(zhí)行的任務(wù)不同而不同，從幾百平方米至幾千平方米不等。
[0004]太陽帆材料都十分輕薄，施加稍大的力很可能產(chǎn)生較大變形，但是在地球上難以對如此大的太陽帆進行真空無重力狀態(tài)下的實驗，因此對太陽帆結(jié)構(gòu)進行力學(xué)仿真分析十分重要。本發(fā)明正是基于這種需要，用有限元方法對太陽帆進行力學(xué)分析。
[0005]概念設(shè)計是太陽帆設(shè)計的初始階段，這一階段所提出并基本確定的初始方案對航天器的性能和全壽命周期成本有著很大的影響，對不同結(jié)構(gòu)形式或不同構(gòu)型尺寸的力學(xué)分析進行總結(jié)，需要大量數(shù)據(jù)。如果完全依靠經(jīng)驗來積累數(shù)據(jù)極其不現(xiàn)實，因此必須在概念設(shè)計中考慮到對太陽帆最終設(shè)計質(zhì)量起決定作用的盡可能多的影響因素。對太陽帆力學(xué)有限元分析在前期概念設(shè)計中是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。
[0006]在對太陽帆進行力學(xué)特性分析時，有限元建模是力學(xué)分析過程中的棘手問題，費時費力，通常結(jié)構(gòu)形式的微小變化或構(gòu)型尺寸的改變將會導(dǎo)致有限元分析的重復(fù)性工作量。同時，普通的后處理分析無法反映太陽帆真實的力學(xué)特性，僅僅通過簡單的結(jié)果數(shù)據(jù)完全不能體現(xiàn)大型超柔性帆面的力學(xué)特性。有限元建模與后處理對力學(xué)分析人員的要求也較高，必將影響相關(guān)先進技術(shù)在概念設(shè)計中的應(yīng)用與進度。
[0007]因此，利用有限元快速建模技術(shù)對太陽帆航天器進行力學(xué)建模并實現(xiàn)后處理分析，對空間無約束自由飛行狀態(tài)的薄膜太陽帆航天器進行力學(xué)特性分析是一種有效的技術(shù)手段，也成為該領(lǐng)域目前亟待解決的技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種太陽帆結(jié)構(gòu)有限元快速建模與后處理方法。
[0009]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種太陽帆結(jié)構(gòu)有限元快速建模與后處理方法，步驟如下:
[0010](I)設(shè)置太陽帆構(gòu)型方式以及支撐臂與帆面連接形式，并根據(jù)太陽帆的構(gòu)型方式在帆面間為支撐臂設(shè)置預(yù)留區(qū)域；所述的太陽帆構(gòu)型方式主要包括方形帆、多邊形帆、圓形帆、環(huán)形帆、葉形帆；當(dāng)為方形帆時預(yù)留區(qū)域為兩條對角線區(qū)域，多邊形帆預(yù)留區(qū)域為多邊形對角線區(qū)域，圓形帆與環(huán)形帆預(yù)留區(qū)域為兩條垂直直徑區(qū)域，葉形帆預(yù)留區(qū)域為葉心區(qū)域；預(yù)留區(qū)域空間大小設(shè)置為支撐臂直徑的5?10倍柱體空間區(qū)域；
[0011](2)根據(jù)設(shè)置的太陽帆構(gòu)型方式設(shè)置太陽帆帆面薄膜分區(qū)，建立帶有預(yù)留區(qū)域的太陽帆帆面幾何模型；
[0012](3)根據(jù)設(shè)置的支撐臂與帆面連接形式設(shè)置支撐臂類型，在步驟(2)中的預(yù)留區(qū)域生成支撐臂幾何模型；
[0013](4)設(shè)置帆面不同區(qū)域、支持臂與集中質(zhì)量的參數(shù)、材料屬性以及有限元單元類型、單元大?。桓鶕?jù)所述材料屬性、有限元單元類型、單元大小、對所述的太陽帆帆面以及支撐臂幾何模型進行有限元劃分，得到太陽帆帆面以及支撐臂的有限元模型；
[0014](5)根據(jù)生成的太陽帆帆面以及支撐臂有限元模型，對二者進行有限元方式裝配；
[0015](6)在步驟(5)得到的有限元模型上設(shè)置靜力學(xué)邊界條件與載荷工況；
[0016](7)根據(jù)支撐臂形狀尺寸及材料屬性計算支撐臂屈曲載荷，并根據(jù)設(shè)置載荷工況、太陽帆總質(zhì)量以及太陽帆帆面面積，計算模擬慣性釋放的反向加速度，并將該反向加速度施加在步驟(5)得到的有限元模型上；
[0017](8)根據(jù)步驟(7)處理后的有限元模型進行太陽帆靜力學(xué)求解，得到支撐臂最大變形和軸向壓力；
[0018](9)根據(jù)得到的支撐臂屈曲載荷與計算的軸向壓力，計算屈曲安全因子，根據(jù)屈曲安全因子判定構(gòu)建的太陽帆結(jié)構(gòu)方案的可行性。
[0019]所述步驟(5)中的有限元裝配為支撐臂與帆面的一對一節(jié)點重復(fù)節(jié)點消去的有限元裝配方式。
[0020]所述步驟(5)中的有限元裝配為支撐臂與帆面的一對多節(jié)點自由度綁定的有限元裝配方式。
[0021]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有益效果為:
[0022](I)應(yīng)用有限元快速建模方法可以減少大量的重復(fù)工作，特別是大型太陽帆結(jié)構(gòu)，其主動、快速、準(zhǔn)確的參數(shù)化建模特點特別適用于非力學(xué)專業(yè)人員、前期無經(jīng)驗和無繼承設(shè)計階段以及經(jīng)少許修改(如修改網(wǎng)格的密度)后需要多次重復(fù)的環(huán)節(jié)，可為設(shè)計人員節(jié)省大量的時間，以利于設(shè)計人員有更多的精力來從事產(chǎn)品的構(gòu)思。
[0023](2)程序便于保存和攜帶，一個有限元參數(shù)化程序文件一般只有幾十千字節(jié)，最多也只有幾百千字節(jié)，其數(shù)據(jù)文件的容量僅為一般通用商業(yè)有限元軟件數(shù)據(jù)文件的千分之一，無論是在網(wǎng)上或平常的交流都很方便。
[0024](3)考慮多種太陽帆構(gòu)型方式與支撐臂連接形式:方形帆、多邊形帆、圓形帆、環(huán)形帆與葉形帆，端點連接與多點連接。同時考慮了太陽帆帆面與支撐臂的幾何干涉問題，避免無預(yù)留位置的帆面與支撐臂的有限元節(jié)點的重復(fù)消去，設(shè)置參照支撐臂直徑尺寸的空間劃分，預(yù)留了相應(yīng)支撐臂結(jié)構(gòu)的位置。由于太陽帆結(jié)構(gòu)仍處于研發(fā)階段，相關(guān)技術(shù)很不成熟，需要較多的初步方案進行對比，故本發(fā)明能夠在初步方案設(shè)計階段即可向工程設(shè)計人員提供兩套截然不同的構(gòu)型方式，起到事半功倍的效果。
[0025](4)考慮多種太陽帆支撐臂與帆面裝配方式，有效與真實結(jié)構(gòu)進行仿真。鑒于設(shè)計人員在太陽帆前期設(shè)計過程中對太陽帆結(jié)構(gòu)特別是臂與帆的連接設(shè)計缺乏經(jīng)驗，故本方法采用兩種典型的裝配方式進行建模。初始設(shè)計時，可采用支撐臂與帆面的一對一節(jié)點重復(fù)節(jié)點消去的有限元裝配方式；當(dāng)設(shè)計人員進行詳細設(shè)計特別是重點考慮帆面角點的應(yīng)力校核時，為減小帆面角點應(yīng)力集中，可采用支撐臂與帆面的一對多節(jié)點自由度綁定的有限元裝配方式。本方法針對太陽帆設(shè)計的不同階段，考慮了不同的結(jié)構(gòu)連接方式，減小了設(shè)計人員的工作量并且豐富了設(shè)計內(nèi)容。
[0026](5)由于在靜力有限元計算中需加入強制人為自由度約束以滿足剛度矩陣非奇異以致求解靜力平衡方程，故與真實的空間中無約束自由狀態(tài)下太陽帆運動有本質(zhì)差異。雖然商業(yè)有限元軟件自帶的慣性釋放功能可以有效的解決該問題，但是對于太陽帆這種大柔度大變形非線性特點而言，商業(yè)軟件默認的非線性算法與慣性釋放功能無法兼容。本發(fā)明考慮上述原因，為模擬真實無約束狀態(tài)以及克服商業(yè)軟件無法實現(xiàn)二者共存的不足，設(shè)置了模擬慣性釋放的加速度場功能，將設(shè)置的外載荷合力與統(tǒng)計的質(zhì)量信息計算得到的加速度施加于模型中，更真實的實現(xiàn)了太陽帆結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性分析。
[0027](6)計算支撐臂受壓載荷，校核穩(wěn)定性。在通常太陽帆力學(xué)特性分析中，最容易出現(xiàn)不滿足力學(xué)要求的是支撐臂軸向軸壓載荷，而實際的通用商業(yè)有限元分析軟件只能特定使用屈曲模塊分析壓桿穩(wěn)定性，而在普通靜力學(xué)分析中無法得到結(jié)果。本發(fā)明直接根據(jù)支撐臂形狀尺寸與材料屬性計算支撐臂臨界失穩(wěn)載荷，再通過結(jié)果變形計算實際軸向受壓載荷，進而校核壓桿穩(wěn)定性，給出屈曲安全因子。
[0028](7)鑒于僅從常規(guī)的應(yīng)力與變形結(jié)果難以從數(shù)值以及云圖角度無法有效描述超柔性太陽帆結(jié)構(gòu)特別是其帆面部分的力學(xué)特性，本發(fā)明特別針對用戶關(guān)注的沿帆面某一路徑的結(jié)果進行提取與展示。該路徑可以自定義設(shè)置，同時結(jié)果的提取亦可選擇。方便的給出設(shè)計人員關(guān)心的結(jié)構(gòu)區(qū)域的力學(xué)特性分析，便于方案對比。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1為本發(fā)明流程圖；
[0030]圖2為太陽帆支撐臂有限元圖；
[0031]圖3為太陽帆帆面有限元圖；
[0032]圖4為太陽帆全部結(jié)構(gòu)有限元示意圖；
[0033]圖5為用戶自定義的兩條太陽帆研究路徑圖；
[0034]圖6為太陽帆對角線路徑的應(yīng)力曲線圖；
[0035]圖7為太陽帆對角線路徑的變形曲線圖；
[0036]圖8為太陽帆中線路徑的應(yīng)力曲線圖；
[0037]圖9為太陽帆中線路徑的變形曲線圖。【具體實施方式】
[0038]下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明做詳細說明，本發(fā)明一種太陽帆結(jié)構(gòu)有限元快速建模與后處理方法，如圖1所示，步驟如下:
[0039](I)設(shè)置太陽帆構(gòu)型方式以及支撐臂與帆面連接形式，并根據(jù)太陽帆的構(gòu)型方式在帆面上為支撐臂設(shè)置預(yù)留區(qū)域；所述的太陽帆構(gòu)型方式主要包括方形帆、多邊形帆、圓形帆、環(huán)形帆、葉形帆；當(dāng)為方形帆時預(yù)留區(qū)域為兩條對角線區(qū)域，多邊形帆預(yù)留區(qū)域為多邊形對角線區(qū)域，圓形帆與環(huán)形帆預(yù)留區(qū)域為兩條垂直直徑區(qū)域，葉形帆預(yù)留區(qū)域為葉心區(qū)域；預(yù)留區(qū)域空間大小設(shè)置為支撐臂直徑的5~10倍柱體空間區(qū)域均勻貫穿帆面其間。
[0040]支撐臂與帆面連接形式包括僅在支撐臂端點連接以及多點式連接構(gòu)型。初始設(shè)計時可采用端點式連接方式，若步驟(9)得到的帆面變形與應(yīng)力過大，可改為多點式連接構(gòu)型，此構(gòu)型方式將支撐臂平均分為相應(yīng)段數(shù)，分別于臨近的帆面進行連接。
[0041](2)根據(jù)設(shè)置的太陽帆構(gòu)型方式設(shè)置太陽帆帆面薄膜分區(qū)，方形帆按照不同邊長的方形塊分區(qū)，圓形帆與環(huán)形帆按照不同的半徑圓形設(shè)置分區(qū)，葉形帆按照每葉片的長度分區(qū)，建立帶有預(yù)留區(qū)域的太陽帆帆面幾何模型；
[0042](3)根據(jù)設(shè)置的支撐臂與帆面連接形式設(shè)置支撐臂類型，在步驟(2)中的預(yù)留區(qū)域生成支撐臂幾何模型；
[0043]支撐臂的類型一般為立體桁架型與單截面型，立體桁架型為組合多跨鉸接桁架構(gòu)型，單截面型為單一連續(xù)截面構(gòu)型，需設(shè)置兩種截面的形狀；
[0044](4)設(shè)置帆面不同區(qū)域 、支持臂與集中質(zhì)量的參數(shù)、材料屬性以及有限元單元類型、單元大?。桓鶕?jù)所述材料屬性、有限元單元類型、單元大小、對所述的太陽帆帆面以及支撐臂幾何模型進行有限元劃分，得到太陽帆帆面以及支撐臂的有限元模型；
[0045](5)根據(jù)生成的太陽帆帆面以及支撐臂有限元模型，對二者進行有限元方式裝配；有限元裝配為支撐臂上一個節(jié)點與帆面某一重合的節(jié)點進行一對一節(jié)點重復(fù)節(jié)點消去的有限元裝配方式，此時，支撐臂與帆面共用該相同節(jié)點，具有相同的自由度約束。若步驟(9)得到的帆面變形與應(yīng)力過大，可設(shè)置為支撐臂上某一節(jié)點與其相鄰的帆面多個節(jié)點進行一對多節(jié)點自由度綁定的有限元裝配方式，此時支撐臂某節(jié)點與帆面多個節(jié)點具有相同的自由度約束，可將支撐臂一點載荷分散至帆面多點上。
[0046](6)在步驟(5)得到的有限元模型上設(shè)置靜力學(xué)邊界條件與載荷工況，邊界條件為約束太陽帆幾何形心位置處節(jié)點的所有自由度，載荷工況在帆面內(nèi)施加預(yù)緊力，在帆面外施加光壓；
[0047](7)根據(jù)支撐臂形狀尺寸計算支撐臂截面慣性矩Ibeam,再結(jié)合材料屬性Eb.與長度I計算屈曲載荷A = π H,n并根據(jù)設(shè)置光壓載荷工況P、太陽帆總質(zhì)量m以及太


PS
陽帆帆面面積S，計算模擬慣性釋放的反向加速度〃并將該反向加速度施加在步驟


/〃，
(5)得到的有限元模型上；
[0048](8)根據(jù)步驟(7)處理后的有限元模型進行太陽帆靜力學(xué)求解，其靜力學(xué)方程為:[0049]
【權(quán)利要求】
1.一種太陽帆結(jié)構(gòu)有限元快速建模與后處理方法，其特征在于步驟如下: (1)設(shè)置太陽帆構(gòu)型方式以及支撐臂與帆面連接形式，并根據(jù)太陽帆的構(gòu)型方式在帆面間為支撐臂設(shè)置預(yù)留區(qū)域；所述的太陽帆構(gòu)型方式主要包括方形帆、多邊形帆、圓形帆、環(huán)形帆、葉形帆；當(dāng)為方形帆時預(yù)留區(qū)域為兩條對角線區(qū)域，多邊形帆預(yù)留區(qū)域為多邊形對角線區(qū)域，圓形帆與環(huán)形帆預(yù)留區(qū)域為兩條垂直直徑區(qū)域，葉形帆預(yù)留區(qū)域為葉心區(qū)域；預(yù)留區(qū)域空間大小設(shè)置為支撐臂直徑的5?10倍柱體空間區(qū)域； (2)根據(jù)設(shè)置的太陽帆構(gòu)型方式設(shè)置太陽帆帆面薄膜分區(qū)，建立帶有預(yù)留區(qū)域的太陽帆帆面幾何模型； (3)根據(jù)設(shè)置的支撐臂與帆面連接形式設(shè)置支撐臂類型，在步驟(2)中的預(yù)留區(qū)域生成支撐臂幾何模型； (4)設(shè)置帆面不同區(qū)域、支持臂與集中質(zhì)量的參數(shù)、材料屬性以及有限元單元類型、單元大??；根據(jù)所述材料屬性、有限元單元類型、單元大小、對所述的太陽帆帆面以及支撐臂幾何模型進行有限元劃分，得到太陽帆帆面以及支撐臂的有限元模型； (5)根據(jù)生成的太陽帆帆面以及支撐臂有限元模型，對二者進行有限元方式裝配； (6)在步驟(5)得到的有限元模型上設(shè)置靜力學(xué)邊界條件與載荷工況； (7)根據(jù)支撐臂形狀尺寸及材料屬性計算支撐臂屈曲載荷，并根據(jù)設(shè)置載荷工況、太陽帆總質(zhì)量以及太陽帆帆面面積，計算模擬慣性釋放的反向加速度，并將該反向加速度施加在步驟(5)得到的有限元模型上； (8)根據(jù)步驟(7)處理后的有限元模型進行太陽帆靜力學(xué)求解，得到支撐臂最大變形和軸向壓力； (9)根據(jù)得到的支撐臂屈曲載荷與計算的軸向壓力，計算屈曲安全因子，根據(jù)屈曲安全因子判定構(gòu)建的太陽帆結(jié)構(gòu)方案的可行性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種太陽帆結(jié)構(gòu)有限元快速建模與后處理方法，其特征在于:所述步驟(5)中的有限元裝配為支撐臂與帆面的一對一節(jié)點重復(fù)節(jié)點消去的有限元裝配方式。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種太陽帆結(jié)構(gòu)有限元快速建模與后處理方法，其特征在于:所述步驟(5)中的有限元裝配為支撐臂與帆面的一對多節(jié)點自由度綁定的有限元裝配方式。
【文檔編號】G06F17/50GK103886126SQ201410023662
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年1月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月17日
【發(fā)明者】楊辰, 劉宇飛, 張興華, 侯欣賓, 王立 申請人:中國空間技術(shù)研究院