◈ 航天器有限元分析中涉及到的力学耦合场类型 |
随着航空航天事业的发展，航天器速度越来越快，且升空承载着越来越多的功能，面对的环境越来越复杂，加上人载人航天的发展，加上了更多人的因素，因此对航天器的要求越来越高，使得包括有限元分析在内的仿真分析难度更大，其中较为复杂的是各种多物理场耦合分析。以下几种是航天器有限元分析中设计到的主要耦合场类型： 1.声振耦合 声振耦合是航天器尤其是载人航天器研究的重点，研究声振耦合实际上是研究航天器结构与声的交互作用，在模拟航天器声振耦合场时主要针对的是两个过程中的声振交互作用，一是发射过程中航天器在整流罩内时，运载支架振动载荷和气动噪声载荷的交互作用；二是航天器进入在轨飞行时密封舱内的振动和噪声相互作用。
（航天发射声振环境）
一般来说，根据频段的不同我们会采取不同方法进行仿真，中低频段采用有限元法和边界元法，中高频段一般采用统计量法，在环境比较复杂的情况下，可以采用两种或者三种方法结合来求解较为接近真实物理场的声振耦合问题。目前的这种单一频段分析越来越显示出很大的局限性，因此未来全频段声振耦合仿真分析才是趋势，另外星箭联合声振控制方法、声振联合实验技术等也是研究发展的方向。
2.热固耦合 航天飞行器和普通飞行器相比最大的特点是超高速飞行，目前飞行器速度越来越快，所面临的问题也更加复杂。在高速运行当中由于速度的原因会与空气发生剧烈摩擦形成高温高压，导致飞行区温度瞬间上升，我们的第一代航天员就曾经经历过这种气动热效应下的舱内高压高温影响。在飞行器温度瞬间上升时，飞行器材料会有什么变化？什么样的材料才能耐超高温、抗高温腐蚀，这是仿真技术需要解决的问题。 第二，飞行器在执行深空探测任务时，舱体会经历极冷极热交替，所以对冷热交变的模拟和试验必不可少，热强度、热噪声、热外压、热模态等都需要考虑。仿真过程中由于环境的难以预测性，热固耦合分析的精度是一个难点。
3.刚柔耦合 卫星和空间站的飞行器朝着多重任务方向发展，挠性和大挠性航天器及机构的出现，使得其附件规模越来越大，结构越大运动范围越大，耦合振动的类型越来越复杂，各种大型、柔性附件的出现使航天器运动形式超高速、轻质化方向发展，在运行过程中出现了很多无法预料的耦合振动类型。如卫星信号不稳定、图像质量下降，很可能是观测仪受挠性太阳帆板驱动系统和姿态控制器的相互干扰；大规模变轨可能导致信号盲点的出现；柔性机械臂有可能出现无法对接等状况等等。 需要对航天器的柔性变形体和刚体以及刚柔多体组合系统进行大量仿真计算，主要从几个方面研究：大变形问题、接触碰撞问题、刚柔耦合动力学机理问题等。在研究过程中，获取准确的结构动力学参数是研究顺利进行的难点。
（大型展开天线）
4.液固耦合 目前各种航天器以及运载运输、探测器和卫星使用的推进器都属于液体推进器，航天器所携带的液体推进器质量占整个推进器质量的50%以上，有的甚至达到80%，这样大的液体比例，使飞行器在行进过程中由于液体的晃动可能导致对航天器的结构动力学特性影响重大，历史上发生过多次由于液体晃动导致航天器发生失稳最后失败的案列，因此液固耦合是飞行器研制过程中的重要仿真部分。目前采用的方法主要是数值计算仿真法，如有限元法、ALE有限元分、MAC\VOF、有限差分法等等。
参考文献： 陈昌亚, 宋汉文. 2005. 卫星结构振动试验中的力控技术. 上海航天, 5: 47-53 崔尔杰. 2009. 近空间飞行器研究发展现状及关键技术问题. 力学进展, 39: 658-673 方宝东, 李应典, 张建刚. 2006. 新一代地球同步轨道气象卫星结构热变形分析. 上海航天, 6: 50-52 孟光, 周徐斌, 苗军. 航天重大工程中的力学问题. 力学进展, 2016, 46: 201606
文中图片引自： 孟光, 周徐斌, 苗军. 航天重大工程中的力学问题. 力学进展, 2016, 46: 20160
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