航天器在火箭發(fā)射過程中會(huì)經(jīng)歷嚴(yán)酷的隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境，支撐結(jié)構(gòu)作為航天器的關(guān)鍵承載部件，其強(qiáng)度和剛度能否滿足要求顯得十分重要。運(yùn)用有限元分析軟件ansys 對低溫貯箱的絕熱支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了隨機(jī)振動(dòng)的模擬分析，得出了支撐結(jié)構(gòu)在隨機(jī)激勵(lì)載荷作用下的響應(yīng)，響應(yīng)結(jié)果表明，支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度滿足使用要求。

　　引言

　　航天器在發(fā)射階段會(huì)經(jīng)歷噪聲、正弦振動(dòng)、隨機(jī)振動(dòng)、沖擊等一系列復(fù)雜和嚴(yán)酷的力學(xué)環(huán)境，這些環(huán)境是誘發(fā)航天器故障的重要原因。而在所有的力學(xué)環(huán)境中，由于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力不穩(wěn)定產(chǎn)生的脈動(dòng)推力、跨聲速氣動(dòng)噪聲以及穩(wěn)流邊界層噪聲等綜合作用引起的隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境是對航天器設(shè)備影響最為嚴(yán)重的力學(xué)環(huán)境之一，是航天器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)考慮的因素。振動(dòng)引起的激勵(lì)會(huì)通過運(yùn)載火箭與航天器的連接器，逐級傳遞到其它的各級系統(tǒng)和組件結(jié)構(gòu)上，有可能引起各結(jié)構(gòu)損壞和失效。

　　低溫貯箱是航天器的關(guān)鍵零部件之一，當(dāng)火箭發(fā)射時(shí)其會(huì)受到強(qiáng)烈的沖擊與振動(dòng)。作為重要的承載部件，低溫貯箱支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度能否滿足要求對整個(gè)航天器顯得十分重要。因此對支撐結(jié)構(gòu)的隨機(jī)振動(dòng)的響應(yīng)進(jìn)行分析和研究是十分必要的。由于受試驗(yàn)成本或條件的限制，在試驗(yàn)之前有必要先通過有限元分析方法對支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)模擬分析。這有助于縮短研制周期、降低研制成本;并且能夠驗(yàn)證結(jié)構(gòu)能否滿足力學(xué)條件以及發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的不足，進(jìn)而為結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化提供依據(jù)。

　　本文利用有限元分析軟件Ansys對低溫貯箱的新型絕熱支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)的模擬分析，得出了支撐結(jié)構(gòu)在給定的隨機(jī)載荷激勵(lì)譜下的位移與應(yīng)力分布及加速度響應(yīng)，并對結(jié)果進(jìn)行了分析。

1、有限元模型

　　低溫貯箱的新型絕熱支撐結(jié)構(gòu)是一種通過改變熱、力的傳遞路徑來有效解決傳統(tǒng)支撐結(jié)構(gòu)傳熱與受力矛盾的一種桿支撐，主要用于降低低溫貯箱軌階段的熱量傳遞，以盡可能的延長低溫液體在軌貯存時(shí)間。支撐的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1　新型絕熱支撐結(jié)構(gòu)圖

　　在地面與發(fā)射階段，支撐主要承受較大的力載荷;而在軌階段，支撐不再受外力作用，主要承受熱載荷。其工作原理為：由于冷端接觸桿與接觸螺母及冷端主體之間存在著微小的間隙，在地面及發(fā)射時(shí)支撐受壓縮或拉伸，使得冷端接觸桿與接觸螺母或冷端主體接觸，載荷傳遞路徑短，因此這時(shí)支撐能承受較大的力載荷作用;而在軌時(shí)則由于支撐不受外力作用，冷端接觸桿便與接觸螺母或冷端主體相分離，熱量沿著冷端軸承桿—冷端接觸桿—在軌管—調(diào)節(jié)襯套—冷端主體—發(fā)射管—熱端主體—長度調(diào)節(jié)桿—熱端軸承桿的路徑傳遞，傳熱路徑及熱阻較地面與發(fā)射階段大大增加，因此能有效降低低溫貯箱通過支撐的熱量傳遞。支撐結(jié)構(gòu)各元件的材料構(gòu)成為：冷端主體、接觸螺母、冷端接觸桿、調(diào)節(jié)襯套、熱端主體、大小卡圈選用殷鋼，發(fā)射管選用S 玻璃纖維環(huán)氧樹脂，在軌管選用石墨環(huán)氧樹脂，軸承桿、球頭軸承、長度調(diào)節(jié)桿和螺母選用奧氏體不銹鋼。各材料的主要屬性如表1 所列。

表1　相關(guān)材料屬性

　　運(yùn)用Proe軟件建立支撐結(jié)構(gòu)的三維實(shí)體模型，并建立計(jì)算模型中的總體坐標(biāo)系，取支撐結(jié)構(gòu)的軸向?yàn)閄 軸方向，軸向的垂直方向?yàn)閅 軸方向，Z 軸方向按右手定則確定。將建立的實(shí)體模型導(dǎo)入有限元分析軟件Ansys Workbench 平臺(tái)。為便于有限元分析，對實(shí)體模型的某些細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化處理，如將螺紋連接簡化為圓柱面接觸，并將接觸面處理為綁定接觸;將小孔用實(shí)體填充。對于動(dòng)力學(xué)分析而言，其對有限元模型的網(wǎng)格質(zhì)量的要求較高，尤其對應(yīng)力梯度變化較大等這些有可能引發(fā)材料甚至結(jié)構(gòu)失效的重點(diǎn)關(guān)注的部位需要將網(wǎng)格劃分更為細(xì)密。對支撐的實(shí)體模型采用多體劃分、局部細(xì)化控制等方法劃分網(wǎng)格，以使得網(wǎng)格質(zhì)量達(dá)到所需要求。模型共有84 590 個(gè)單元，147 381 個(gè)節(jié)點(diǎn)。劃分網(wǎng)格后的有限元模型如圖2 所示。

圖2　劃分網(wǎng)格后的有限元模型

2、結(jié)論

　　通過對新型絕熱支撐結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)的有限元模擬分析，分析結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)滿足動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和剛度要求，能夠避免與主體結(jié)構(gòu)發(fā)生共振，從理論上驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性。最大應(yīng)力出現(xiàn)在冷端支撐桿處，因此該處是后續(xù)過程需要重點(diǎn)關(guān)注和優(yōu)化的元件。加速度響應(yīng)的最大值出現(xiàn)在650 Hz附近，故應(yīng)避免在該頻率附近出現(xiàn)振動(dòng)。條件允許的情況下，后續(xù)還應(yīng)進(jìn)行支撐結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，驗(yàn)證并修正有限元模型及模擬結(jié)果。