太空飛行器主要結構的力學分析，是太空飛行器結構設計的重要依據。在太空飛行器結構質量比不斷減小、結構剛度和固有頻率有可能降低的情況下，通過動力分析正確判斷在動載荷下結構的動態回響，可提高太空飛行器的可靠性。靜力分析是早期太空飛行器結構分析的主要手段，方法成熟、簡單而可靠。太空飛行器在運行時處於長期的冷熱交變環境，由此引起的熱應力和熱變形對某些結構部件的功能有很大影響，需要進行熱應力應變分析。
基本介紹
- 中文名：太空飛行器結構分析
- 簡介：太空飛行器主要結構的力學分析
- 詞性：名詞
- 分類：儀器
結構分析簡介,動力分析,靜力分析,熱應力分析,疲勞斷裂分析,參考書目,
結構分析簡介
太空飛行器主要結構的力學分析，是太空飛行器結構設計的重要依據。在太空飛行器結構質量比不斷減小、結構剛度和固有頻率有可能降低的情況下，通過動力分析正確判斷在動載荷下結構的動態回響，可提高太空飛行器的可靠性。靜力分析是早期太空飛行器結構分析的主要手段，方法成熟、簡單而可靠。太空飛行器在運行時處於長期的冷熱交變環境，由此引起的熱應力和熱變形對某些結構部件的功能有很大影響，需要進行熱應力應變分析。
動力分析
首先進行與結構本身特性有關的模態分析,然後結合外載荷進行動力回響分析。①模態分析:包括結構動態特性的理論分析和試驗分析。目的是確定結構的模態參數，如固有頻率、阻尼、振型。這種分析採用有限元素法。在結構複雜和所劃分的有限單元數目過多時，採用簡縮的方法使有限元模型的自由度減少，或採用模態綜合法，把結構劃分為若干子結構，先求出子結構的模態，再綜合為整個結構的模態。通常用試驗來檢查理論計算結果的精確性，並找出改進模態精度的途徑，試驗方法與火箭振動特性試驗相似。②動力回響分析：已知結構的模態特性，在給定外載荷下進行動力回響分析，確定結構的加速度、位移和應力分布。求解的方法有直接積分法、模態疊加法和福斯法等。用動力回響的分析結果，檢驗結構設計的合理性，例如，過大的位移會使部件之間碰撞；過大的應力會使零件產生斷裂破壞；過大的加速度容易使安裝在結構上的元、器件失效。③載荷分析：確定運載火箭與太空飛行器界面上的動態回響,屬動力分析問題。早期採用的保守衝擊譜法,是在飛行試驗中測出運載火箭與太空飛行器界面上的衝擊譜，取其包絡線作為結構載荷。而廣義衝擊譜法則考慮了太空飛行器結構特性的反饋作用，使用了太空飛行器和運載火箭的模態參數，這種方法現代套用較多。瞬態法把太空飛行器和運載火箭的有限元模型結合在一起，對飛行過程中點火、分離、關機等重要時刻進行耦合的瞬態回響分析，可以得到比較精確的結果，但比較麻煩。
靜力分析
太空飛行器大多採用薄壁結構、加勁結構、夾層結構等輕型結構，在靜力分析中除了進行強度計算外，結構的穩定性和變形分析十分重要（見飛機結構力學、火箭結構分析）。根據太空飛行器結構形狀多樣性的特點，多數情形需要採用有限元素法。在輕型結構分析中廣泛進行最佳化設計，在滿足強度和剛度的條件下使結構的重量達到最小。將結構的幾何尺寸和材料的物理性能都作為最佳化設計的參數，從而擴大了結構最佳化設計的套用範圍。
熱應力分析
再入太空飛行器的熱應力分析方法與火箭頭部的熱應力分析基本相同。空間軌道運行時的熱應力應變分析，是太空飛行器特有的問題。對於一些太空飛行器結構來說熱變形分析十分重要，如大型拋物面天線反射盤形狀的微小溫度畸變會影響天線的性能，大尺寸的可展開部件（如太陽電池翼、測量用的伸長臂等）的過大熱變形會影響太空飛行器在軌道飛行中的姿態控制。為了進行分析，先計算出結構的溫度分布，確定結構材料的力學和物理性能隨溫度變化的關係，再分析熱應力與應變。解決這種非線性問題，有時需要作某些簡化假設，須靠計算機來計算。
疲勞斷裂分析
絕大多數一次使用的太空飛行器承受動載荷的時間很短，一般可不考慮疲勞與斷裂。對於那些很薄的板殼構件，即使承受幾分鐘的振動也可能產生疲勞和斷裂破壞，因此需要進行疲勞和斷裂分析。
參考書目
諸德超、王壽梅著:《結構分析中的有限元素法》,國防工業出版社，北京，1981。
