高承载要求碳纤维内埋框架的设计及试验研究.pdf

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1、上海航天AEROSPACESHANGHAI第32卷2015年第2期文章编号：1006—1630(2015)02—0038—07高承载要求碳纤维内埋框架的设计及试验研究周晓宁，周徐斌，顾亦磊，王炜(上海卫星工程研究所，上海200240)摘要：对SAST5000平台的碳纤维内埋框架及相应结构板设计和试验进行了研究。对内埋框架结构进行了拓扑优化并采用碳纤维材料，分析了优化的结构板模态和静力状态，并对整板进行了静力试验及探伤。结果表明：在方案阶段金属材料内埋框架聍箱安装板的基础上，通过对内埋框架结构形式的拓扑优化及碳纤维材料的使用，大幅减轻了贮箱安装板重量，仿真分析及摸底试验说明碳纤维内埋框架贮箱安

2、装板力学性能满足卫星承载要求。关键词：内埋框架；拓扑优化；碳纤维材料；静力试验中图分类号：V414．5文献标志码：AResearchonDesignandTestofCarbon—FiberEmbeddedFrameworkwithHighBearingCapacityZHOUXiao—ning，ZHOUXu—bin，GUYi-lei，WANGWei(ShanghaiInstituteofSatelliteEngineering，Shanghai200240，China)Abstract：Thedesignandtestofspacecraftbearingplateusuallyadopt

3、smetalembeddedframeworktoimprovethebearingcapacitywhenbeingrequiredtosupportlargeload．TheSAST5000platformtankbearingplate’usemetalembeddedframeworkintheconceptualstage．Theweightoftankbearingplateisreducedgreatlythroughtheuseoftopologyoptimizationandcarbon-fibermaterialontheembeddedframework．Through

4、simulationanalysisandtest，itprovesthatthemechanicalpropertiesofcarbon—fiberembeddedframebearingplatesatisfysatellitecarryingrequirements．Itpresentsdesignandtestingofthecarbon—fiberembeddedframeandthebearingplateinthispaper．Keywords：Embeddedframework；Topologyoptimization；Carbon-fibermaterial；Statice

5、xperiment0引言SAST5000平台作为已被风云四号卫星等多个卫星使用的静止轨道卫星平台，采用4贮箱并联平铺方案，推进剂携带量约3．2t。该平台结构星研制阶段，采用2块铝蜂窝夹层内埋人铝合金薄壁框架的结构板(金属贮箱安装板)承载推进剂贮箱。结构板内埋入金属框架为常用提高承载能力的方法，金属框架力学性能稳定、加工工艺成熟、提供接口方便，广泛用于各卫星。但大尺寸的金属框架自重偏大，高轨卫星资源有限，发射重量要求苛刻，在保证收稿日期：2014-05—14；修固日期：2014-06—25作者简介：周晓宁(1982一)，男，工程师，主要从事航天器结构和卫星构型布局设计。力学性能的前提下需尽可能

6、减重。初样阶段，通过结构形式的拓扑优化，并改变以往内埋框架均使用金属材料的做法，用碳纤维材料大量替代金属材料，使该结构板在静、动力学性能满足承载要求的前提下大幅减重。本文对高承载能力碳纤维内埋框架及相应结构板(碳纤维贮箱安装板)的设计和试验进行了研究。1内埋框架轻量化设计，航天器研制中，以往对承载要求高的结构内埋框架多采用金属材料，但为大部件时其自重较大。内埋框架的轻量化设计考虑结构形式的拓扑优化和碳纤维材料替代金属材料。第32卷2015年第2期周晓宁，等：高承载要求碳纤维内埋框架的设计及试验研究1．1贮箱安装板承载方式与结构SAST5000卫星平台采用承力筒+桁架+板的六面柱体结构，贮箱安

7、装板位于承力筒锥柱过渡处两侧，与承力筒法兰连接，下端与下隔框相连，侧面与平台侧板连接。推进剂贮箱下部通过法兰与贮箱安装板相连，上端利用杆件限制横向自由度，如图1所示，图1贮箱安装板与星体结构连接Fig．1Connectionbetweentankbearingplateandsatellitebody金属材料贮箱安装板主要由铝合金薄壁框架、铝蒙皮、铝蜂窝芯三部分用真空高温加压胶接复合而成，如图2所示。}u，±