[发明专利]一种太阳帆结构有限元快速建模与后处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种结构有限元快速建模与后处理方法，尤其适用于采用支撑臂与薄膜连接的大型超柔度太阳帆结构的力学特性分析。

背景技术

太阳帆是利用太阳在大面积薄膜上的反射光压提供飞行动力的一种航天器。只要有太阳光存在的地方，它就可以一直加速，并最终能获得比普通航天器大得多的速度，它不受燃料的限制，可以在太空中运行更长的时间，所以太阳帆航天器的产生对未来的空间探索具有十分重大的意义。

光压力指向太阳帆的法线方向，因此通过控制太阳帆与太阳光线的夹角，可以改变光压的大小，并且可以使光压成为动力或者阻力，从而控制太阳帆航天器的飞行速度和角度。通过调整太阳帆的姿态，使太阳光压力方向不在轨道平面内，也可以改变其轨道倾角。因此，理论上太阳帆航天器可以到达太阳系内的任意位置。太阳帆航天器一般由三个部分组成：薄膜帆面、支撑杆和控制中心体。帆面的作用是反射光子，为了获得较大推力，帆面一般都比较大，而且表面具有很高的反射率。帆面通常由很轻薄的聚酯或聚酰亚胺等高分子材料制成，为大柔性结构，其表面镀铝或银。支撑杆用来支撑帆面，使其保持张开的状态。控制中心主要是控制帆和支撑杆的展开，以及携带通信装备等。太阳帆的大小随要执行的任务不同而不同，从几百平方米至几千平方米不等。

太阳帆材料都十分轻薄，施加稍大的力很可能产生较大变形，但是在地球上难以对如此大的太阳帆进行真空无重力状态下的实验，因此对太阳帆结构进行力学仿真分析十分重要。本发明正是基于这种需要，用有限元方法对太阳帆进行力学分析。

概念设计是太阳帆设计的初始阶段，这一阶段所提出并基本确定的初始方案对航天器的性能和全寿命周期成本有着很大的影响，对不同结构形式或不同构型尺寸的力学分析进行总结，需要大量数据。如果完全依靠经验来积累数据极其不现实，因此必须在概念设计中考虑到对太阳帆最终设计质量起决定作用的尽可能多的影响因素。对太阳帆力学有限元分析在前期概念设计中是至关重要的环节。

在对太阳帆进行力学特性分析时，有限元建模是力学分析过程中的棘手问题，费时费力，通常结构形式的微小变化或构型尺寸的改变将会导致有限元分析的重复性工作量。同时，普通的后处理分析无法反映太阳帆真实的力学特性，仅仅通过简单的结果数据完全不能体现大型超柔性帆面的力学特性。有限元建模与后处理对力学分析人员的要求也较高，必将影响相关先进技术在概念设计中的应用与进度。

因此，利用有限元快速建模技术对太阳帆航天器进行力学建模并实现后处理分析，对空间无约束自由飞行状态的薄膜太阳帆航天器进行力学特性分析是一种有效的技术手段，也成为该领域目前亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种太阳帆结构有限元快速建模与后处理方法。

本发明的技术解决方案是：一种太阳帆结构有限元快速建模与后处理方法，步骤如下：

（1）设置太阳帆构型方式以及支撑臂与帆面连接形式，并根据太阳帆的构型方式在帆面间为支撑臂设置预留区域；所述的太阳帆构型方式主要包括方形帆、多边形帆、圆形帆、环形帆、叶形帆；当为方形帆时预留区域为两条对角线区域，多边形帆预留区域为多边形对角线区域，圆形帆与环形帆预留区域为两条垂直直径区域，叶形帆预留区域为叶心区域；预留区域空间大小设置为支撑臂直径的5～10倍柱体空间区域；

（2）根据设置的太阳帆构型方式设置太阳帆帆面薄膜分区，建立带有预留区域的太阳帆帆面几何模型；

（3）根据设置的支撑臂与帆面连接形式设置支撑臂类型，在步骤（2）中的预留区域生成支撑臂几何模型；

（4）设置帆面不同区域、支持臂与集中质量的参数、材料属性以及有限元单元类型、单元大小；根据所述材料属性、有限元单元类型、单元大小、对所述的太阳帆帆面以及支撑臂几何模型进行有限元划分，得到太阳帆帆面以及支撑臂的有限元模型；

（5）根据生成的太阳帆帆面以及支撑臂有限元模型，对二者进行有限元方式装配；

（6）在步骤（5）得到的有限元模型上设置静力学边界条件与载荷工况；

（7）根据支撑臂形状尺寸及材料属性计算支撑臂屈曲载荷，并根据设置载荷工况、太阳帆总质量以及太阳帆帆面面积，计算模拟惯性释放的反向加速度，并将该反向加速度施加在步骤（5）得到的有限元模型上；

（8）根据步骤（7）处理后的有限元模型进行太阳帆静力学求解，得到支撑臂最大变形和轴向压力；

（9）根据得到的支撑臂屈曲载荷与计算的轴向压力，计算屈曲安全因子，根据屈曲安全因子判定构建的太阳帆结构方案的可行性。