星载抛物面天线反射器瞬态热分析

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1、万方数据第29卷第3期2008年9月固体力学学报CHINESEJOURNALOFSOLIDMECHANICSV01．29No．3September2008星载抛物面天线反射器瞬态热分析。陈志华1’2“关富玲1(1浙江大学建筑工程学院空间结构研究中心．杭州，310027)(2武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉，430070)摘要星载抛物面天线反射器在周期性的冷热辐射作用下，产生不均匀的温度分布，过大的热变形严重影响卫星通信质量；采用一种8节点超参数壳单元，通过每个节点3个温度自由度表示厚度方向上温度的非线性变化，建

2、立了单元内温度插值函数，基于Galerkin法推导出受太空冷热辐射作用的壳体结构瞬态热分析的有限元公式；运用几何解析法分析了抛物面壳体的自遮挡．对某静止轨道卫星抛物面天线进行稳态分析，与FDM结果比较表明该方法具有良好的计算精度I在不考虑地球辐射热流作用的一个运行周期的瞬态分析中，该反射器上瞬间温差达200K，在日照区内温度变化达250K．关键词有限元，热分析，瞬态，天线，反射器0引言在太阳热流、地球反照热流、红外热流以及周围深冷环境的共同作用下，绕地飞行的航天器天线被周期性的加热和冷却，温度变化达300K，不均匀

3、的温度变化使卫星结构产生较大的热变形或热颤，导致天线反射器信号失真，无法正确接受或发送信息和指令，严重者致使航天器失效，因此精确分析星载天线反射器温度场及其变化非常重要．目前国内外对于航天器热分析普遍采用热网络法，如美国NASA的SINDA软件，欧洲ESA的ESATAN软件以及中国空间技术研究院的热分析软件．但节点网络法存在无法克服的缺点：热网络模型模拟实际结构的能力差，处理复杂形状物体时灵活性和适应性不够；用节点代替一定尺寸的单元体比较粗糙[13；空间飞行器结构的热分析是先用节点网络法计算温度场，再用有限元法计算

4、热变形，由于热模型和结构模型本质上的不同，所以两者之间要进行繁琐的数据转换，这样费时且计算精度下降．有限元方法渐渐成为反射面天线热分析的重要方法，文献[2]将天线反射面近似按平面问题考虑，这种近似较粗略，不适应高精度天线对反射型面的变形分析要求．文献[3]利用有限元分析抛物面天线反射器稳态和瞬态温度场，将天线反射面分成上面板、蜂窝芯和下面板三部分，上、下面板按二维单元分析，蜂窝芯按三维实体单元分析，但单元数目较多，影响求解速度．抛物面天线反射器的厚度远小于其口面尺寸，通常用壳单元进行分析．许多研究人员对线性边界条件

5、的壳体热分析问题进行了研究，王勖成等[4]讨论了一般壳体温度场的有限元分析总体方案和方程列式，并运用罚函数法实现了壳体单元与实体单元的联接，但其中仅考虑各向同性材料．Rolfes等[5]，马玉娥等∞]对复合材料层合板壳三维热分析的退化壳单元进行了研究，考虑正交各向异性材料热性能．他们都考虑了壳体温度沿厚度方向线性变化或二次变化，能真实反映壳体内外侧温差．这些方法都采用先处理法消除壳单元表面的自由度，在方程中只保留中面上的自由度，将3D问题降为2D问题求解，这种退化单元仅适用于热对流等线性的边界条件，不适用于以热辐射

6、为主要边界条件的空间热分析问题．本文采用一种厚度方向温度二次变化的超参数热壳单元，研究太空环境中以热流和辐射为主要边界条件的壳体瞬态温度场，在计算热流时运用几何解析方法分析反射器的自遮挡效应．通过该分析过程为天线的热变形计算及其控制设计提供较准确的温度数据．1反射器几何描述一般壳体单元将局部坐标原点建立在壳体的中面上，但卫星天线反射器是二次曲面沿法线向外偏-国家自然科学基金项目(69982009)资助．2007—06—29收到第1稿，2008—01—15收到修改稿．“通信作者．Tel：027—63631700．E—

7、mail：chenzh@whut．edu．cn．万方数据第3期陈志华等：星载抛物面天线反射器瞬态热分析·273·移产生的实体，因此卫星天线反射器是通过反射面描述的，为较准确地描述反射器的几何形状及其变形，将(车，刁)定为天线反射面上的曲线坐标，善为厚度方向的直线坐标(如图1(口))，且一1≤e≤1，一1≤叩≤1，o≤K1．壳体单元内任意一点的总体坐标可以近似的表示为fz]。卜]。{Y}=∑N船，7／)．{Yi}+￡f∑N心，’7)V3f(1)【zJi=1【2iJ他，i=1其中，t是反射面厚度，扎是单元的节点数，为保

8、证插值几何形状的精度，采用8节点单元，(zi，Y。，z；)是反射面离散后的节点总体坐标，％；是反射面上对应点的外法线单位向量，Ni(亭，刀)是8节点平面单元的形函数[7]．图1反射器壳体单元描述Fig．1Thermalshellelementofreflector2单元温度函数卫星天线反射器处于热流辐射和深冷空间的共同作用下，在反射器内部可能产生较大的温度变