天巡一号微小卫星正样星结构设计与力学环境试验研究

论文摘要

微小卫星由于具有体积小、重量轻、研制周期短、成本低、功能密度大、发射方式灵活等大型卫星难以比拟的优点，已在全世界范围内迅速发展起来，微小卫星的发展是国际航天技术和空间技术的一场划时代的革命，也是我国航天事业面临的新的机遇和挑战。在此背景下，南京航空航天大学自筹资金，开展天巡一号（TX-1）结构隐身微小卫星的研制工作，本文以TX-1正样星结构分系统的研制为切入点，对卫星正样结构的材料力学性能、结构优化设计以及力学环境试验进行了研究。主要工作包括：1．对卫星结构设计中常用的铝蜂窝夹层板的平面压缩性能和弯曲性能进行了试验研究，对影响蜂窝板力学性能的三个因素（面板厚度、芯层厚度、蜂窝规格）进行了对比分析；研究蜂窝板在有限元建模中的简化方法，对比分析三种等效理论，确定了适合TX-1微小卫星有限元建模的等效方法。2．分析初样解锁分离装置结构设计方案，结合TX-1正样星构型修改要求以及初样星力学试验结论，利用有限元仿真和灵敏度分析理论，完成正样解锁分离装置的结构设计，并通过静力试验验证正样解锁分离装置结构设计的合理性。3．在正样解锁分离装置有限元模型的基础上对主承力结构进行有限元建模，完成整星的有限元模型。以整星刚度为约束条件，利用Nastran软件提供的三种优化算法对主承力结构各部件的尺寸参数进行优化设计，对比分析三种优化算法的优化结果，确定主承力结构最终的优化方案。4．利用Patran&Nastran软件对优化后的卫星结构进行静力分析、频率响应分析和随机响应分析，全面考核整星的强度和动态响应特性，仿真分析卫星主承力结构优化方案的合理性，为正样星振动环境试验要求的制定提供依据。5．提出TX-1正样星振动试验方案，分别从x、y、z三个方向对卫星进行扫频、验收级正弦和随机振动环境试验考核，试验结果表明卫星基频满足运载火箭的要求，卫星可以有效承受运载火箭在发射入轨阶段产生的动态载荷，卫星结构设计合理，试验结果与仿真结果一致。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源和意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题背景意义
• 1.2 微小卫星结构设计技术研究现状
• 1.2.1 铝蜂窝夹层板力学性能研究
• 1.2.2 星箭解锁分离装置结构设计技术
• 1.2.3 主承力结构设计技术
• 1.2.4 卫星力学试验技术
• 1.3 论文各部分主要内容
• 第二章 铝蜂窝夹层板力学性能试验及其等效方法
• 2.1 引言
• 2.2 铝蜂窝夹层板力学性能试验
• 2.2.1 试验材料的选择
• 2.2.2 试验件的制备及试验方法
• 2.2.3 平面压缩试验结果
• 2.2.4 弯曲试验结果
• 2.2.5 试验结果分析
• 2.3 铝蜂窝夹层板的等效方法研究
• 2.3.1 三明治夹心板理论
• 2.3.2 蜂窝板理论
• 2.3.3 等效板理论
• 2.3.4 等效效果分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 解锁分离装置结构设计及静力试验校核
• 3.1 引言
• 3.2 设计要求
• 3.3 初样解锁分离装置结构设计方案
• 3.3.1 解锁分离装置主结构设计
• 3.3.2 连接与分离组件设计
• 3.4 解锁分离装置模态分析
• 3.4.1 解锁分离装置有限元建模
• 3.4.2 模态分析结果
• 3.5 正样解锁分离装置结构设计
• 3.5.1 设计要求
• 3.5.2 结构初步修改与分析
• 3.5.3 结构灵敏度分析
• 3.5.4 结构最终修改与分析
• 3.6 静力试验校核
• 3.6.1 试验项目
• 3.6.2 试验准备
• 3.6.3 试验加载
• 3.6.4 试验结果
• 3.7 本章小结
• 第四章 主承力结构设计及其优化
• 4.1 引言
• 4.2 主承力结构设计特点与原则
• 4.2.1 设计特点
• 4.2.2 设计原则
• 4.3 初样主承力结构设计方案
• 4.3.1 设计要求
• 4.3.2 主承力结构设计方案
• 4.3.3 星上设备布局
• 4.3.4 初样星质量特性计算
• 4.4 主承力结构有限元建模
• 4.4.1 主承力结构模型简化
• 4.4.2 主承力结构有限元模型的建立
• 4.5 整星模态分析
• 4.6 主承力结构优化设计
• 4.6.1 结构优化技术概述
• 4.6.2 主承力结构优化结果
• 4.7 本章小结
• 第五章 卫星结构强度校核与动态响应分析
• 5.1 引言
• 5.2 卫星结构强度校核
• 5.3 卫星结构动态响应分析
• 5.3.1 结构频率响应分析
• 5.3.2 结构随机振动响应分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 正样星振动环境模拟试验
• 6.1 引言
• 6.2 试验目的
• 6.3 试验项目及试验条件
• 6.4 试验准备
• 6.4.1 试件
• 6.4.2 试验夹具选择
• 6.4.3 试验仪器设备
• 6.4.4 控制点选择
• 6.4.5 试验测点布置
• 6.5 试验步骤与试验要求
• 6.5.1 试验步骤
• 6.5.2 试验要求
• 6.6 振动环境模拟试验结果
• 6.6.1 特征值正弦扫描结果
• 6.6.2 测点加速度响应结果
• 6.6.3 测点应变响应结果
• 6.7 试验总结
• 6.8 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文