（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

1 引言

為滿足航天器高分辨率有效載荷設(shè)計(jì)及安裝要求，航天器必須具備高穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)安裝平臺(tái)，安裝平臺(tái)既起支撐連接作用，又要具備耐受真空、溫變影響的高穩(wěn)定性［1］。高穩(wěn)定結(jié)構(gòu)在滿足剛度、強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)進(jìn)一步滿足空間環(huán)境交變溫度載荷下結(jié)構(gòu)微變形要求。因此，高穩(wěn)定結(jié)構(gòu)研制須解決結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性的仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)證的問題。在仿真分析方面，雖然計(jì)算方法已較為成熟［2-3］，但依然要進(jìn)一步探討如何實(shí)現(xiàn)機(jī)、熱載荷的精確交互及在軌多工況快速分析；在試驗(yàn)驗(yàn)證方面，須通過熱穩(wěn)定性試驗(yàn)驗(yàn)證高穩(wěn)定結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，并為仿真模型修正提供依據(jù)。國(guó)內(nèi)可進(jìn)行高精度位移或角度測(cè)量的系統(tǒng)包括電子經(jīng)緯儀、激光雷達(dá)、高速攝影系統(tǒng)和光纖應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)等，這些設(shè)備的常規(guī)測(cè)量方法已無(wú)法滿足全場(chǎng)熱變形微米級(jí)測(cè)試精度要求。

本文根據(jù)航天器高穩(wěn)定結(jié)構(gòu)機(jī)熱一體化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，提出機(jī)熱一體化分析方法，進(jìn)行機(jī)、熱載荷快速精確交互，可極大提升熱穩(wěn)定仿真分析的效率及精度；探討了適用于高穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法，將數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)微變形測(cè)試，可對(duì)熱穩(wěn)定性設(shè)計(jì)及仿真分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

2 機(jī)熱一體化分析方法

對(duì)于高穩(wěn)定結(jié)構(gòu)熱變形的分析，首先要解決熱載荷在結(jié)構(gòu)分析模型（有限元模型）上的施加問題。傳統(tǒng)的熱載荷施加方式主要依靠手動(dòng)逐點(diǎn)對(duì)溫度賦值，在節(jié)點(diǎn)數(shù)較少時(shí)，此方法尚可應(yīng)用；但隨著設(shè)計(jì)分析水平的提高，無(wú)論是熱分析模型還是結(jié)構(gòu)分析模型，節(jié)點(diǎn)規(guī)模都非常龐大，采用傳統(tǒng)手動(dòng)賦值方法已無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確施加熱載荷的要求。此外，熱穩(wěn)定性設(shè)計(jì)涉及航天器總體、熱控、結(jié)構(gòu)等多個(gè)系統(tǒng)，且分析工況數(shù)量較多，要求模型數(shù)據(jù)的交互必須精確、高效進(jìn)行。

2.1 機(jī)熱一體化分析方法流程

本文提出采用機(jī)熱一體化分析方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)熱變形分析，其流程見圖1。首先，由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員根據(jù)初始設(shè)計(jì)方案在Pro／E或Solidworks軟件中創(chuàng)建三維有限元模型，簡(jiǎn)化處理后創(chuàng)建結(jié)構(gòu)分析與熱分析的交互幾何模型，模型格式為通用接口格式“＊.IGES”。然后，熱設(shè)計(jì)人員通過I-DEAS或Thermal Desktop（TD）等熱分析軟件在交互幾何模型上創(chuàng)建熱分析網(wǎng)格，開展在軌熱分析，并將溫度場(chǎng)結(jié)果通過文本文件反饋給結(jié)構(gòu)分析人員，結(jié)構(gòu)分析人員在MSC.Patran軟件下依據(jù)交互幾何模型同步創(chuàng)建結(jié)構(gòu)分析網(wǎng)格，并根據(jù)溫度場(chǎng)文本文件進(jìn)行溫度載荷映射，若映射不滿足要求，可迅速再次迭代或采用第三方軟件進(jìn)行溫度載荷擬合修正。最終，通過MSC.Nastran軟件計(jì)算結(jié)構(gòu)熱變形，并評(píng)估高穩(wěn)定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否滿足設(shè)計(jì)要求。

圖1 機(jī)熱一體化分析方法流程Fig.1 Mechanical thermal integrated analysis method process

2.2 某高穩(wěn)定結(jié)構(gòu)熱變形分析

某高穩(wěn)定結(jié)構(gòu)構(gòu)型見圖2，其中上端面為有效載荷安裝面，下端面為衛(wèi)星平臺(tái)對(duì)接面。

根據(jù)熱分析結(jié)果，選取在軌最大溫差、最低溫、最高溫3種工況作為熱變形分析工況。熱變形分析模型約有3萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)，采用本文的機(jī)熱一體化分析方法，僅需幾分鐘就可實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)精確交互，自動(dòng)完成熱變形分析所需的溫度映射（見圖3），映射誤差小于1℃（見表1）；而采用傳統(tǒng)手動(dòng)賦值方法，則需要幾天甚至更長(zhǎng)時(shí)間，且不能保證溫度映射精度。根據(jù)映射溫度場(chǎng)計(jì)算得到的熱變形分析結(jié)果見圖4，熱變形為2～30μm，高效完成了溫度載荷交互及熱變形分析。

圖3 機(jī)熱分析模型溫度場(chǎng)云圖Fig.3 Fringe of temperature field between mechanical analysis model and thermal analysis model

圖4 3種工況下的熱變形分析結(jié)果Fig.4 Analysis results of thermal deformation for three cases

表1 機(jī)熱分析模型溫度場(chǎng)對(duì)比Table 1 Comparison of temperature field between mechanical analysis model and thermal analysis model ℃

3 熱穩(wěn)定性試驗(yàn)驗(yàn)證

在高穩(wěn)定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初期，可通過圖1所示的方法進(jìn)行熱穩(wěn)定設(shè)計(jì)與分析的初步迭代，進(jìn)而完成高穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)，但熱變形分析的邊界約束條件、材料基礎(chǔ)參數(shù)、連接剛度等均為影響分析結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素，仿真分析存在一定的不確定性，在高穩(wěn)定結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)階段須通過熱穩(wěn)定試驗(yàn)驗(yàn)證分析結(jié)果。一般情況下，在軌工況溫度場(chǎng)較為復(fù)雜，通過地面熱控措施實(shí)現(xiàn)在軌工況精確模擬的代價(jià)較大，因此，熱穩(wěn)定試驗(yàn)可采用在軌工況的簡(jiǎn)化溫度場(chǎng)（如均勻高溫、均勻低溫和高低溫拉偏等），利用上述簡(jiǎn)化試驗(yàn)得到的熱變形數(shù)據(jù)，與簡(jiǎn)化溫度場(chǎng)下結(jié)構(gòu)分析（熱穩(wěn)定試驗(yàn)預(yù)分析）得到的熱變形數(shù)據(jù)相比較，以修正結(jié)構(gòu)分析模型，繼而更精確、詳盡地開展在軌復(fù)雜工況下的熱變形分析，驗(yàn)證高穩(wěn)定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具體流程見圖5。

圖5 熱穩(wěn)定試驗(yàn)及結(jié)構(gòu)分析模型修正流程Fig.5 Process of thermal stability test and structure analysis model updating

根據(jù)上述分析，本文的高穩(wěn)定結(jié)構(gòu)最小熱變形僅為2μm，若對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱穩(wěn)定測(cè)試，須至少滿足如下要求：①熱穩(wěn)定試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)理論精度至少達(dá)到微米級(jí)；②測(cè)試系統(tǒng)須耐受一定環(huán)境噪聲、設(shè)備噪聲及溫度波動(dòng)；③為實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)測(cè)量，并盡可能減少測(cè)試設(shè)備對(duì)結(jié)構(gòu)熱變形測(cè)試結(jié)果的影響，理想測(cè)試方法為非接觸測(cè)量。針對(duì)這樣的航天器高穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，本文基于數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量技術(shù)開展熱穩(wěn)定試驗(yàn)方法討論。

目前，國(guó)外數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量技術(shù)的理論較為成熟，并已得到試驗(yàn)的成功驗(yàn)證［4-5］。除采用數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量技術(shù)進(jìn)行變形、應(yīng)變測(cè)量外，國(guó)外還開發(fā)了相關(guān)系統(tǒng)，可同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)件的變形和溫度測(cè)量，通過同一套測(cè)試設(shè)備獲取并以云圖呈現(xiàn)。國(guó)內(nèi)很多學(xué)者也對(duì)數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)行了探討［6-10］，但目前多數(shù)測(cè)試案例的變形在毫米量級(jí)或更大，基于此技術(shù)進(jìn)行微米級(jí)熱變形測(cè)量尚無(wú)經(jīng)驗(yàn)可循。Q-400 系統(tǒng)是目前國(guó)內(nèi)引進(jìn)的較為先進(jìn)的數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)試設(shè)備，可采用非接觸測(cè)量方法進(jìn)行全場(chǎng)變形測(cè)量。在測(cè)試開始時(shí)，被測(cè)物體表面涂有隨機(jī)散斑，通過2 臺(tái)專用高精度CCD相機(jī)追蹤溫度加載前后的散斑變化；采用相關(guān)算法計(jì)算出物體表面因變形引起的變化，獲得每個(gè)點(diǎn)的三維位移矢量，進(jìn)而計(jì)算出全場(chǎng)每點(diǎn)的變形值與應(yīng)變值。其測(cè)試精度達(dá)微米級(jí)，可用于結(jié)構(gòu)非接觸式微變形測(cè)量。本文利用該系統(tǒng)對(duì)某高穩(wěn)定結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱變形測(cè)試。圖6表示進(jìn)行熱穩(wěn)定試驗(yàn)的高穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，其有效載荷安裝面尺寸約為1.0m×1.5m，作為熱穩(wěn)定測(cè)試系統(tǒng)的有效測(cè)試區(qū)域，見圖7。

圖6 實(shí)施熱控措施后的高穩(wěn)定結(jié)構(gòu)實(shí)物Fig.6 View of high-stability structure after thermal control

圖7 有效載荷安裝面測(cè)試區(qū)域Fig.7 Test field of interface for payload

3.1 環(huán)境噪聲測(cè)試

采用光學(xué)非接觸式三維全場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行熱穩(wěn)定試驗(yàn)時(shí)，CCD 相機(jī)自身像素、環(huán)境噪聲等是影響測(cè)試精度的關(guān)鍵因素。為了初步確定系統(tǒng)在當(dāng)前環(huán)境要求、測(cè)試區(qū)域要求下的測(cè)試精度，在試驗(yàn)開始前，首先在常溫條件下對(duì)4個(gè)象限選定的測(cè)試區(qū)域進(jìn)行連續(xù)數(shù)據(jù)采集，即噪聲測(cè)試。測(cè)試結(jié)束后，分別提取4個(gè)測(cè)試區(qū)域內(nèi)的面域位移（測(cè)試系統(tǒng)對(duì)一定區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)位移的平均處理值）及任意一點(diǎn)的點(diǎn)位移，計(jì)算多次測(cè)量的位移均值及位移絕對(duì)值均值。其中：位移均值反映多次測(cè)試平均化的數(shù)據(jù)處理效果，位移絕對(duì)值均值反映測(cè)試波動(dòng)性。由噪聲測(cè)試結(jié)果（見圖8）可以看出，常溫連續(xù)采集條件下，點(diǎn)位移測(cè)試波動(dòng)性顯著大于面域位移測(cè)試波動(dòng)性。位移均值和位移絕對(duì)值均值的計(jì)算結(jié)果（見圖9）表明，無(wú)論是點(diǎn)位移還是面域位移，采用多次位移平均化的處理方法均有利于過濾測(cè)試噪聲的影響，多數(shù)區(qū)域噪聲影響僅為1～2μm，即測(cè)試精度可達(dá)微米級(jí)。

圖8 噪聲測(cè)試數(shù)據(jù)波動(dòng)性Fig.8 Data wave of noise test

圖9 噪聲測(cè)試數(shù)據(jù)比較Fig.9 Data comparison of noise test

3.2 均勻高溫?zé)岱€(wěn)定試驗(yàn)

選取圖3中在軌工況的最高溫（49 ℃），對(duì)高穩(wěn)定結(jié)構(gòu)進(jìn)行均勻高溫?zé)岱€(wěn)定試驗(yàn)，試驗(yàn)預(yù)分析的結(jié)構(gòu)熱變形情況見圖10。

試驗(yàn)工況實(shí)現(xiàn)途徑為：在室溫一定的條件下，通過熱控措施對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行升降溫加載。為實(shí)現(xiàn)室溫恒定，試驗(yàn)件放在可實(shí)現(xiàn)高低溫控制的試驗(yàn)裝置內(nèi)，試驗(yàn)裝置可實(shí)現(xiàn)±2 ℃室溫控制，試驗(yàn)布局見圖11。試驗(yàn)件測(cè)溫點(diǎn)分布在高穩(wěn)定結(jié)構(gòu)筒殼、有效載荷安裝面及與衛(wèi)星平臺(tái)對(duì)接面，高溫試驗(yàn)過程中所有測(cè)溫點(diǎn)的溫度均值曲線見圖12。

圖10 熱穩(wěn)定試驗(yàn)預(yù)分析結(jié)果Fig.10 Pre-analysis result of thermal stability test

圖11 高溫工況熱穩(wěn)定試驗(yàn)布局Fig.11 Thermal stability test of maximum temperature case

圖12 測(cè)溫點(diǎn)溫度均值Fig.12 Mean temperature for temperature measuring points

采用平均化噪聲處理方法得到的Z向位移試驗(yàn)結(jié)果見圖13和圖14。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，結(jié)構(gòu)最大Z向位移約為30μm，且有效載荷安裝面上各點(diǎn)的Z向位移數(shù)據(jù)在加載、卸載前后回零情況良好，說明試驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)試精度可以滿足熱變形測(cè)試要求，測(cè)試精度可達(dá)微米級(jí)。安裝面＋X和-X區(qū)域各點(diǎn)的Z向位移相對(duì)于YZ面基本對(duì)稱，安裝面的圓弧段與外伸段交會(huì)拐角附近的位移最小，與試驗(yàn)預(yù)示分析（見圖10）變形趨勢(shì)一致，進(jìn)一步說明本文測(cè)試方法較為精確地表征了熱變形趨勢(shì)。

圖13 有效載荷安裝面＋X 區(qū)域的Z 向位移Fig.13 Z-direction displacement in＋Xinterface for payload

圖14 有效載荷安裝面-X 區(qū)域的Z向位移Fig.14 Z-direction displacement in-Xinterface for payload

3.3 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果修正結(jié)構(gòu)分析模型

上述熱穩(wěn)定試驗(yàn)結(jié)果表明，有效載荷安裝面法向位移值普遍高于分析值，靠近測(cè)試區(qū)邊緣各點(diǎn)（如測(cè)試點(diǎn)1、2、14～17、29、30）的試驗(yàn)值與分析值的差值尤為顯著。根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)特點(diǎn)，靠近測(cè)試區(qū)邊緣各點(diǎn)的測(cè)試誤差更大，因此結(jié)構(gòu)分析模型修正目標(biāo)重點(diǎn)為靠近測(cè)試區(qū)中部各點(diǎn)的位移，修正變量為分析模型的基礎(chǔ)材料參數(shù)、連接點(diǎn)剛度等環(huán)節(jié)，修正前后分析值與試驗(yàn)值的對(duì)比見圖15。可以看出，靠近測(cè)試區(qū)中部多數(shù)安裝點(diǎn)（如測(cè)試點(diǎn)6～11、20～25）的分析值與試驗(yàn)值位移誤差在5μm 以內(nèi)，說明修正后的結(jié)構(gòu)分析模型可用于在軌微米級(jí)熱變形分析。

圖15 修正前后分析值與試驗(yàn)值對(duì)比Fig.15 Comparison between analysis results and test results before and after updating

用修正后的分析模型進(jìn)行在軌最大溫差、最低溫和最高溫3種工況的熱變形分析。修正前后平面度對(duì)比情況表明，采用修正后模型計(jì)算得到的平面度略高于修正前的分析值，但量級(jí)基本相當(dāng)，見圖16。

圖16 模型修正前后平面度分析結(jié)果對(duì)比Fig.16 Comparison of plainness analysis results before and after model updating

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用機(jī)熱一體化分析方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)熱變形分析，高效完成了溫度載荷交互及熱變形分析，溫度載荷交互誤差小于1 ℃，熱變形為2～30μm；提出基于數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量技術(shù)進(jìn)行高穩(wěn)定結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定試驗(yàn)的試驗(yàn)方法，測(cè)試精度可達(dá)微米級(jí)；基于試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行模型修正后的結(jié)構(gòu)分析模型，可用于在軌多工況熱變形分析。

本文提出的熱變形分析及試驗(yàn)驗(yàn)證方法，已應(yīng)用到高分辨率對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星的高穩(wěn)定結(jié)構(gòu)研制中，對(duì)其他類型航天器的高穩(wěn)定結(jié)構(gòu)分析及試驗(yàn)驗(yàn)證同樣具有參考價(jià)值。在后續(xù)研究中，須優(yōu)化試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)以進(jìn)一步消除環(huán)境噪聲，通過信息化開發(fā)手段建立高穩(wěn)定結(jié)構(gòu)“分析-試驗(yàn)-數(shù)據(jù)處理-模型修正”一體化的軟硬件平臺(tái)，進(jìn)一步提升高穩(wěn)定結(jié)構(gòu)分析與試驗(yàn)驗(yàn)證的效率。

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