應(yīng)用案例Applications

全國免費服務(wù)熱線: 400-0512-887

?？怂箍的M仿真軟件助力空中客車衛(wèi)星太陽能電池的振動聲學(xué)響應(yīng)預(yù)測

面臨的挑戰(zhàn)：

在離地升空和飛行期間，航天器運載火箭會經(jīng)受多種振動聲學(xué)問題的挑戰(zhàn)。為了使火箭達(dá)到達(dá)到更高的推力和更遠(yuǎn)的里程，推進(jìn)動力越來越強勁，也相應(yīng)產(chǎn)生了更加強烈的噪聲激勵源。

這種強烈的聲負(fù)載會激勵運載火箭結(jié)構(gòu)以及嵌入內(nèi)部的有效載荷和設(shè)備。因此，在所有運載火箭部件的設(shè)計過程中，一定要對振動聲學(xué)行為進(jìn)行設(shè)計及管理，這一點對確保航天器部件的安全性至關(guān)重要。

過去五十年間，空中客車防務(wù)與航天公司一直在提供可靠的系統(tǒng)，從電子元件到完整的無線電通訊轉(zhuǎn)播平臺、科學(xué)衛(wèi)星乃至載人航天器。這些產(chǎn)品系列的關(guān)鍵通用部件是太陽能電池帆板。太陽能電池板負(fù)責(zé)供電，以便衛(wèi)星傳感器、電子設(shè)備及推進(jìn)系統(tǒng)能夠正常工作。

鑒于運載火箭整流罩的獨特約束條件，在發(fā)射期間太陽能電池板被收起來，并會在之后的各種任務(wù)階段展開。為減輕重量，不僅要在航天器上盡量使用最輕的太陽能電池，還必須盡量增大太陽能電池板表面積與重量之比，從而為航天器的運行提供支持。

這些設(shè)計約束條件促使工程師設(shè)計出能夠承載太陽能電池的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，通常采用由電池覆蓋的夾層結(jié)構(gòu)，以滿足具體的任務(wù)要求。

在離地升空期間，這些輕質(zhì)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)會承受強烈的載荷，因此工程師需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗證，以確保它們能夠承受此類振動，而且不會出現(xiàn)有可能阻礙太陽電池板正確展開的殘留缺陷。

過去，通常是在混響室中對太陽能電池設(shè)計的結(jié)構(gòu)行為進(jìn)行實物試驗，用揚聲器再現(xiàn)強烈的離地升空聲學(xué)環(huán)境，同時測量作用在電池上的振動級和應(yīng)變。在多數(shù)情況下，由于制作樣機的成本所限，工程師無法進(jìn)行設(shè)計比較，因此第一個設(shè)計往往采用保守的設(shè)計方法。設(shè)計時的難點在于，在優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計以減輕重量的同時，還要確保結(jié)構(gòu)的完整性。

來自?？怂箍档慕鉀Q方案：

MSC 軟件解決方案

空中客車防務(wù)與航天公司的工程師通過使用 MSC Nastran 和 Actran 的方法來預(yù)測太陽能電池板在離地升空時的振動聲學(xué)響應(yīng)。用 MSC Nastran 計算太陽能電池板的模態(tài)頻率和振型；同時用 Actran 對復(fù)雜的聲學(xué)耗散和傳播進(jìn)行建模以豐富結(jié)構(gòu)模型，并對作用在折疊起來的太陽能電池帆板上的聲學(xué)載荷環(huán)境進(jìn)行建模。

電池帆板之間的空氣層建模

太陽能電池帆板在折疊時，各層之間會形成薄空氣層。對這些空氣層進(jìn)行建模對于確保能夠準(zhǔn)確預(yù)測最終振動有著極其重要的意義。實際上，這些空氣層起到了減震器的作用，顯著影響了各個電池板的振動。

此外，由于這些空氣層的尺寸很小（幾毫米），因此會發(fā)生粘性熱耗散，從而影響聲波的傳播。Actran 中包含了多種高級數(shù)值建模技術(shù)，可以對這些影響進(jìn)行建模并準(zhǔn)確預(yù)測最終響應(yīng)。

蜂窩結(jié)構(gòu)對振動聲學(xué)響應(yīng)的影響

通常采用夾層結(jié)構(gòu)來減輕重量、增加結(jié)構(gòu)強度，并以碳纖維增強塑料面板覆蓋鋁蜂窩芯結(jié)構(gòu)。由于 MSC Nastran 的結(jié)構(gòu)建模能力可準(zhǔn)確地表述此類復(fù)雜的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，因此采用 Actran 對覆蓋有碳纖維面板的蜂窩結(jié)構(gòu)對太陽能電池板結(jié)構(gòu)周圍的聲波傳播所產(chǎn)生的影響進(jìn)行建模。Actran的多孔建模能力可以模擬各向異性的聲學(xué)傳播以及特定的消散特性，這主要影響太陽能電池板在低頻區(qū)的振動聲學(xué)響應(yīng)。

真實環(huán)境建模

安裝時將折疊的太陽能電池疊片組連接到衛(wèi)星上。衛(wèi)星本體會在太陽能電池疊片組附近形成一個反射面，衛(wèi)星同時也形成一個遮蔽墻，防止聲波直接影響太陽能電池疊片組的零部件。在典型的測量過程中，可以使用衛(wèi)星側(cè)壁模擬器（SSS）來支承太陽能電池疊片組，以再現(xiàn)太陽能電池將要面臨的環(huán)境。數(shù)值模型中也包括了衛(wèi)星側(cè)壁模擬器，后者以太陽能疊片組附近的全剛性壁進(jìn)行建模。

最后，將平面波疊加所產(chǎn)生的擴散聲場（DSF）激勵應(yīng)用到模型上，用以表示聲學(xué)環(huán)境。

不僅 Actran 的結(jié)果與整個相關(guān)頻率范圍內(nèi)的實驗結(jié)果吻合，而且還能通過 Actran 后處理的輸出云圖來確定電池板上最大加速度和最大應(yīng)變的位置。

客戶簡介：

關(guān)于空中客車防務(wù)與航天公司

空中客車公司是航空、航天以及相關(guān)服務(wù)的全球領(lǐng)導(dǎo)者，2017 年的綜合收入為 668 億歐元?？罩锌蛙嚬究商峁?100 到 600 個以上座位的最全面的客機機型?？罩锌蛙嚬疽彩菤W洲的領(lǐng)先供應(yīng)商，可提供加油機、戰(zhàn)斗機，運輸機以及各種任務(wù)飛機，是全球領(lǐng)先的航天公司之一。在直升機領(lǐng)域，空中客車公司可在全球范圍內(nèi)提供最高效的民用和軍用旋翼機解決方案。