韓獻(xiàn)堂，關(guān)振坤，郗志偉

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384；2.天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津300072）

空間大功率電源控制器結(jié)構(gòu)力學(xué)性能仿真研究

韓獻(xiàn)堂1,2，關(guān)振坤1，郗志偉1

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384；2.天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津300072）

基于有限元方法研究了電源控制器的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能。結(jié)果表明，電源控制器的基頻為218.5 Hz，滿足星上產(chǎn)品基頻大于140 Hz的要求；隨機(jī)振動方面，各個關(guān)鍵節(jié)點的加速度均方根響應(yīng)都較小，放大倍數(shù)不大，不會對電源控制器造成破壞；連接點校核得出各個連接點的承受力，并計算得到響應(yīng)的安全系數(shù)，最小安全系數(shù)為0.068，滿足連接強(qiáng)度要求。

電源控制器；基頻；隨機(jī)振動；安全系數(shù)

空間大功率電源控制器是衛(wèi)星一次電源系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備[1]，主要功能是為衛(wèi)星在地面測試、臨發(fā)射前測試、主動段飛行、轉(zhuǎn)移軌道和同步軌道壽命期內(nèi)提供一條100V全調(diào)節(jié)供電母線。電源控制器采用模塊化設(shè)計，在軌正常工作溫度范圍－15～+60℃，功率調(diào)節(jié)能力達(dá)到9 kW。在光照期，光照調(diào)節(jié)模塊調(diào)節(jié)太陽電池陣功率以穩(wěn)定母線，充電調(diào)節(jié)模塊對蓄電池組補(bǔ)充電量；太陽電池陣輸出功率滿足負(fù)載但不滿足充電要求時，充電調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)充電電流以穩(wěn)定母線。陰影期，蓄電池通過放電調(diào)節(jié)模塊輸出功率以穩(wěn)定母線。

本文利用Siemens/I-DEAS軟件對電源控制器進(jìn)行了實體模型簡化及有限元建模，在給定的條件下對其進(jìn)行了仿真分析計算，研究了電源控制器結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，對電源控制器的力學(xué)設(shè)計進(jìn)行了驗證。

1 電源控制器的結(jié)構(gòu)形式

電源控制器的結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計[2]，共由9個模塊組合而成，包括連接模塊、光照調(diào)節(jié)模塊、電容模塊、遙控遙測模塊、充電調(diào)節(jié)模塊和放電調(diào)節(jié)模塊（4個）。

模塊化結(jié)構(gòu)是針對每塊印制電路板設(shè)計相應(yīng)獨立的框架式內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但是每個框架的外部結(jié)構(gòu)是相同的，然后再整體連接起來。其優(yōu)點是便于每塊功能印制電路板的散熱和維修更換，有良好的可擴(kuò)展性，便于向系列化方向發(fā)展，而且相對于其他結(jié)構(gòu)形式，可適用于各種尺寸的印制電路板。電源控制器的模塊設(shè)計原則是各個功能電路被分別裝入對應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)模塊中，形成各功能模塊，然后利用相同外形的耳片連接在一起構(gòu)成整個結(jié)構(gòu)（詳見圖1）。

圖1 電源控制器結(jié)構(gòu)

2 有限元模型的劃分

2.1 有限元模型簡述

三維實體模型建立后，根據(jù)其結(jié)構(gòu)采用板殼單元對各個模塊里的零件進(jìn)行簡化及網(wǎng)格劃分，大部分為四邊形板殼單元，少數(shù)為三角形單元；功率管、磁環(huán)及二次電源用集中質(zhì)量單元來模擬，集中質(zhì)量的節(jié)點在其形心位置；螺栓孔用一圈剛體元連接，螺栓采用梁單元進(jìn)行模擬；磁環(huán)及二次電源集中質(zhì)量單元和模塊用剛體單元連接；功率管集中質(zhì)量單元直接建立在模塊的相應(yīng)節(jié)點上；各個模塊的連接耳采用等效的彈簧單元進(jìn)行模擬。有限元模型中節(jié)點總數(shù)為173066，單元總數(shù)為166717，有限元模型如圖2所示。模塊底板與衛(wèi)星結(jié)構(gòu)板之間為螺栓連接，在分析中連接處的邊界條件按6個自由度均被約束的固支情況考慮。

圖2 電源控制器有限元模型

2.2 常溫下材料的物性參數(shù)

常溫下材料的物理特性參數(shù)如表1所示。

表1 材料物理特性參數(shù)

2.3 連接耳等效彈簧剛度計算

連接耳實體模型及有限元模型如圖3所示。

圖3 連接耳實體模型與有限元模型

2.4 計算中結(jié)構(gòu)阻尼的選取

圖4 連接耳向等效剛度計算圖

圖5 連接耳向等效剛度計算圖

根據(jù)各衛(wèi)星振動實驗的經(jīng)驗，星體結(jié)構(gòu)阻尼比約在0.03～0.05?？紤]電源控制器以金屬組件為主，本次計算中結(jié)構(gòu)阻尼比取0.03。

3 計算結(jié)果

采用I-DEAS中的response dynamics模塊進(jìn)行模態(tài)分析，并且同時解算constraintmodes為后續(xù)的響應(yīng)分析提供施加強(qiáng)迫運動（位移、加速度）激勵的自由度，隨機(jī)響應(yīng)分析[3]采用模態(tài)迭加法[4]得到節(jié)點的響應(yīng)。

3.1 模態(tài)分析結(jié)果

模態(tài)振型如圖6、圖7所示，可知整機(jī)級的第一階頻率即基頻為218.5 Hz，模態(tài)分析的頻率特性滿足基頻大于140 Hz的設(shè)計要求。

圖6 第1階模態(tài)振型（局部模態(tài)）

圖7 第2階模態(tài)振型（整體模態(tài)）

3.2 隨機(jī)響應(yīng)分析結(jié)果

圖8方向隨機(jī)振動激勵函數(shù)

圖9方向隨機(jī)振動功率譜密度響應(yīng)曲線

3.3 連接節(jié)點強(qiáng)度校核

電源控制器與衛(wèi)星艙板之間的連接節(jié)點有兩種形式，即正裝螺栓和反裝螺栓。以連接螺栓許用的承載力作為標(biāo)準(zhǔn)，取連接節(jié)點的最大拉伸力不大于980 N，剪切強(qiáng)度2400 N，如表2所示。

圖10、方向隨機(jī)振動激勵函數(shù)

圖11方向隨機(jī)振動功率譜密度響應(yīng)曲線

圖12方向隨機(jī)振動功率譜密度響應(yīng)曲線

表2 M4螺栓連接點能承受的拉伸及剪切強(qiáng)度

表3給出了在準(zhǔn)靜態(tài)1 g加速度下，連接點所承載的最大拉伸力及剪切力。隨機(jī)工況的載荷是按照3∑原則進(jìn)行計算的，即隨機(jī)工況下加速度的級數(shù)取3倍的均方根加速度，等效如下：

表3 準(zhǔn)靜態(tài)1 g加速度下連接點承載

表4給出了在隨機(jī)工況下，連接點所承載的最大拉伸力及剪切力，由安全系數(shù)=螺栓連接點強(qiáng)度/計算數(shù)值―1計算出安全系數(shù)。隨機(jī)工況下最小安全系數(shù)為0.068，滿足安全系數(shù)大于0的要求。

表4 隨機(jī)工況連接點承載

4 結(jié)論

通過對電源控制器進(jìn)行模態(tài)分析、隨機(jī)響應(yīng)分析和連接點校核分析可以得出：

（1）電源控制器的頻率特性滿足總體對星上儀器提出的設(shè)計要求，其基頻大于140 Hz；

（2）在動態(tài)載荷方面，從隨機(jī)響應(yīng)分析可以看出，各個關(guān)鍵點的均方根加速度響應(yīng)量級都為電源控制器所能承受；

（3）通過對連接點進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)、隨機(jī)工況下的拉伸強(qiáng)度及剪切強(qiáng)度安全系數(shù)計算，最小安全系數(shù)為0.068，滿足連接強(qiáng)度要求。

綜上所述，電源控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足衛(wèi)星星上儀器的力學(xué)性能要求，可以在星上安全可靠地使用。

[1]郭顯鑫，郭祖佑，王衛(wèi)國.空間電源功率調(diào)節(jié)技術(shù)綜述[J].上海航天，2010(3)：30-39.

[2]褚桂柏.空間飛行器設(shè)計[M].北京：航空工業(yè)出版社，1996：272-273.

[3]徐孝誠，王成華.再入飛行器復(fù)雜結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動響應(yīng)分析研究[J].強(qiáng)度與環(huán)境，2002(3)：1-4.

[4]陳志堅.利用模態(tài)迭加法進(jìn)行動態(tài)響應(yīng)分析應(yīng)注意的問題[J].海軍工程大學(xué)學(xué)報，2002(5)：22-25.

Simulation on characteristics ofmechanical performance for power conditioning unit

HAN Xian-tang1,2,GUAN Zhen-kun1,XI Zhi-wei1

The characteristics ofmechanical performance for the power conditioning unit(PCU)by finite elementmethod were studied.The result indicates that the fundamental frequency of PCU is at 218.5 Hz whichmeet the challenge(＞140 Hz)for facilities on satellite;on the random vibration aspect,the response of acceleration RMS and themagnification is not veryhigh which is not destructive for PCU;the reactive force of the tie points is simulated and the safetymargin is calculated,theminimum safetymargin is 0.068 which is adequate for connection.

power conditioning unit;fundamental frequency;random vibration;safetymargin

TM 571

A

1002-087 X(2014)10-1879-04

2014-05-29

韓獻(xiàn)堂(1982—)，男，河北省人，碩士，工程師，主要研究方向為空間電源控制設(shè)備研制。