一种卫星太阳电池阵多学科仿真系统及方法与流程

本发明涉及航天领域，尤其涉及一种卫星太阳电池阵多学科仿真系统及方法。

背景技术：

卫星太阳电池阵的设计需要进行大量的仿真分析工作，专业性强，专业面广，涉及机构、结构、电子、热、控制及计算机软件等专业，且各个专业学科之间相互耦合，相互制约。需要根据这种学科之间的耦合关系，进行多轮从简至繁的设计迭代，进行大量的方案对比，以最终完成研发过程。以往对太阳电池阵进行建模和分析均采用手动方式，用时长、迭代困难、使太阳电池阵的设计周期较长。

技术实现要素：

本发明提供一种卫星太阳电池阵多学科仿真系统及方法，以解决现有的卫星太阳电池设计所存在的用时长、迭代困难的问题。

根据本发明的第一方面，提供了一种卫星太阳电池阵多学科仿真系统，包括：

模态分析模块，用于根据太阳电池阵参数，创建太阳电池阵的参数化分析模型，所述参数化分析模型包括收拢模型和展开模型，进行模态分析得到包括收拢状态和展开状态的各阶模态频率的模态分析结果，并生成整机柔性体文件；

刚柔耦合机构运动学分析模块，用于根据所述模态分析结果，在计算节点上创建太阳电池阵的刚柔耦合机构动力学模型，进行刚柔耦合机构动力学分析，获得太阳电池阵的展开过程和展开时间，生成刚柔耦合机构动力学分析结果；

强度分析模块，用于根据所述刚柔耦合机构动力学分析结果，设定分析工况，在计算节点上对太阳电池阵模型进行展开冲击状态和发射阶段准静态过载状态的强度分析，获得太阳电池阵在展开冲击状态和发射阶段准静态过载状态的应力；

机电耦合分析模块；用于根据所述整机柔性体文件，在所述计算节点上进行驱动机构的机构动力学分析，得到驱动机构电压、电流、负载力矩变化曲线；

人机交互界面模块，用于获得输入的太阳电池阵参数，并显示所述模态分析模块、刚柔耦合机构运动学分析模块、强度分析模块、机电耦合分析模块的分析结果；

基础数据库模块，用于存储仿真分析所需的材料库、参数库、模型库；

计算调度模块，用于管理仿真分析的所述计算节点。

可选的，所述模态分析模块进行模态分析后得到整机前十阶模态振动频率和振型的位移、应力云图，模态分析结果中的参数和图片自动输出到报告中。

可选的，所述刚柔耦合机构运动学分析模块读取所述模态分析结果以获得连接架和基板的柔性体文件，进行刚柔耦合，得到初始收拢状态模型；所述初始收拢状态模型中整个太阳电池阵框架为刚体，连接架和基板为柔性体，坐标系与所述收拢模型的坐标系相同。

可选的，所述强度分析模块根据所述刚柔耦合机构动力学分析结果提取得到整个展开过程的最大载荷，同时对所述太阳电池阵模型进行细化、把载荷加载到太阳电池阵部件的受力位置并设置边界，然后进行强度分析，仿真得到基板和铰链的应力并生成报告。

可选的，所述机电耦合分析模块读取所述整机柔性体文件后，建立太阳电池阵和驱动机构的机电一体化模型，对系统进行机构动力学分析，得到驱动机构电压、电流、负载力矩变化曲线并生成报告。

可选的，所述人机交互界面模块包括：参数界面和分析界面；所述参数界面的参数包括：所述模态分析模块、刚柔耦合机构运动学分析模块、强度分析模块、机电耦合分析模块的参数以及所述太阳电池阵参数，其中，所述太阳电池阵参数包括：总体参数、连接架参数、基板参数、展开锁定机构参数及压紧释放机构参数；所述分析界面包括：分析参数输入部分、保存按钮、结果预览部分。

可选的，所述材料库以xml文件形式保存，所述参数库保存于oracle数据库中的表中，所述模型库以模型文件形式保存。

可选的，所述计算调度模块包括：

增删计算节点单元，用于增删计算节点的ip；

计算节点路径单元，用于设置计算节点的软件路径；

空闲节点分配单元，用于在仿真分析时自动分配空闲节点，如果计算节点全部占用，则计算任务进入等待状态，等到有任务完成时及时释放计算资源，使等待中的计算任务开始计算。

根据本发明的第二方面，提供了一种卫星太阳电池阵多学科仿真方法，包括以下步骤：

s1：确定并输入太阳电池阵参数，所述太阳电池阵参数包括：总体参数、连接架参数、基板参数、展开锁定机构参数及压紧释放机构参数；

s2：根据所述太阳电池阵参数，创建太阳电池阵的参数化分析模型，所述参数化分析模型包括收拢模型和展开模型，进行模态分析得到包括收拢状态和展开状态的各阶模态频率的模态分析结果，并生成整机柔性体文件；

s3：根据所述模态分析结果在计算节点上创建太阳电池阵的刚柔耦合机构动力学模型，进行刚柔耦合机构动力学分析，获得太阳电池阵的展开过程和展开时间，生成刚柔耦合机构动力学分析结果；

s4：根据所述刚柔耦合机构动力学分析结果，设定分析工况，在计算节点上对太阳电池阵模型进行展开冲击状态和发射阶段准静态过载状态的强度分析，获得太阳电池阵在展开冲击状态和发射阶段准静态过载状态的应力；

s5：根据所述整机柔性体文件，在所述计算节点上进行驱动机构的机构动力学分析，得到驱动机构电压、电流、负载力矩变化曲线；

s6：判断所述步骤s2、s3、s4及s5的结果是否符合设计要求：如符合，结束仿真；如果不符合，则返回所述步骤s1重新确定及输入所述太阳电池阵参数。

可选的，所述总体参数包括：太阳电池阵的构型、基板个数、展开方式及是否包含连接架；所述连接架参数包括：连接架的左侧高度，连接架长度，连接架构型，连接架各梁的材料参数和梁截面参数，连接架调整后的质量；所述基板参数包括：基板长度、基板高度、压紧孔的位置、是否绑定连接架、基板边框的材料参数和梁截面参数、基板电池板各层的材料参数和厚度方向、基板调整后的质量及基板压紧孔加强区域半径；所述展开锁定机构参数包括：根铰链和板间铰链刚度系数、预紧力矩、各方向等效刚度、ccl组件参数；所述压紧释放机构参数包括：材料参数、等效半径和质量。

本发明提供的卫星太阳电池阵多学科仿真系统及方法实现了太阳电池阵的参数化有限元建模、各项分析、生成计算结果等过程，快速进行太阳电池阵的设计和迭代优化，缩短了太阳电池阵的设计周期。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明具体实施例中所使用的典型太阳电池阵组成示意图；

图2是本发明实施例中提供的卫星太阳电池阵多学科仿真系统组成示意图；

图3是本发明实施例中提供的卫星太阳电池阵多学科仿真方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

如图1所示，本实施例提供的卫星太阳电池阵多学科仿真系统，包括：模态分析模块10、刚柔耦合机构运动学分析模块20、强度分析模块30、机电耦合分析模块40、人机交互界面模块50、基础数据库模块60及计算调度模块70。其中：

模态分析模块10，用于根据获得的太阳电池阵参数，创建太阳电池阵的参数化分析模型，该参数化分析模型包括收拢模型和展开模型，进行模态分析得到包括收拢状态和展开状态的各阶模态频率的模态分析结果，并生成整机柔性体文件；

刚柔耦合机构运动学分析模块20，用于根据模态分析模块10生成的模态分析结果，在计算节点上创建太阳电池阵的刚柔耦合机构动力学模型，进行刚柔耦合机构动力学分析，获得太阳电池阵的展开过程和展开时间，生成刚柔耦合机构动力学分析结果；

强度分析模块30，用于根据上述的刚柔耦合机构动力学分析结果，设定分析工况，在计算节点上对太阳电池阵模型进行展开冲击状态和发射阶段准静态过载状态的强度分析，获得太阳电池阵在展开冲击状态和发射阶段准静态过载状态的应力；

机电耦合分析模块40；用于根据模态分析模块10生成的整机柔性体文件，在各个计算节点上进行驱动机构的机构动力学分析，得到驱动机构电压、电流、负载力矩变化曲线；

人机交互界面模块50，用于获得输入的太阳电池阵参数，并显示上述模态分析模块10、刚柔耦合机构运动学分析模块20、强度分析模块30、机电耦合分析模块40的分析结果；

基础数据库模块60，用于存储仿真分析所需的材料库、参数库、模型库；

计算调度模块70，用于管理仿真分析的所述计算节点。

其中，模态分析模块10进行模态分析后得到整机前十阶模态振动频率和振型的位移、应力云图，模态分析结果中的参数和图片自动输出到报告中。

进一步的，上述的刚柔耦合机构运动学分析模块20读取模态分析结果以获得连接架和基板的柔性体文件，进行刚柔耦合，得到初始收拢状态模型。在该初始收拢状态模型中，整个太阳电池阵框架为刚体，连接架和基板为柔性体，坐标系与上述模态分析中创建的收拢模型的坐标系相同。然后对模型进行展开过程中的动力学分析，得到展开时间、各关键零部件、传动关节、铰链、对星安装面载荷信息和ccl张紧力变化曲线，生成报告。

进一步的，上述的强度分析模块30根据刚柔耦合机构动力学分析结果提取得到整个展开过程的最大载荷，同时对上述的太阳电池阵模型进行细化、把载荷加载到太阳电池阵部件的受力位置并设置边界，然后进行强度分析，仿真得到基板和铰链的应力并生成报告。

而机电耦合分析模块40读取了模态分析模块10生成的整机柔性体文件后，建立太阳电池阵和驱动机构的机电一体化模型，对系统进行机构动力学分析，得到驱动机构电压、电流、负载力矩变化曲线并生成报告，该报告具体采用word的形式。

该系统的人机交互界面模块50包括两类界面，分别为：参数界面和分析界面。其中，参数界面的参数包括：上述的模态分析模块、刚柔耦合机构运动学分析模块、强度分析模块、机电耦合分析模块的参数以及太阳电池阵参数，本实施例中的太阳电池阵参数包括：总体参数、连接架参数、基板参数、展开锁定机构参数及压紧释放机构参数。而分析界面包括：分析参数输入部分、保存按钮、结果预览部分。结果文件支持下载，其中word报告还支持在线预览。

在基础数据库模块60中，材料库以xml文件形式保存，参数库保存于oracle数据库中的表中，模型库以模型文件形式保存。

计算调度模块70进一步包括：增删计算节点单元，用于增删计算节点的ip；计算节点路径单元，用于设置计算节点的软件路径；空闲节点分配单元，用于在仿真分析时自动分配空闲节点，如果计算节点全部占用，则计算任务进入等待状态，等到有任务完成时及时释放计算资源，使等待中的计算任务开始计算。

参考图2所示，一种卫星太阳电池阵多学科仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

s1：确定并输入太阳电池阵参数，所述太阳电池阵参数包括：总体参数、连接架参数、基板参数、展开锁定机构参数及压紧释放机构参数；

s2：根据所述太阳电池阵参数，创建太阳电池阵的参数化分析模型，所述参数化分析模型包括收拢模型和展开模型，进行模态分析得到包括收拢状态和展开状态的各阶模态频率的模态分析结果，并生成整机柔性体文件；

s3：根据所述模态分析结果在计算节点上创建太阳电池阵的刚柔耦合机构动力学模型，进行刚柔耦合机构动力学分析，获得太阳电池阵的展开过程和展开时间，生成刚柔耦合机构动力学分析结果；

s4：根据所述刚柔耦合机构动力学分析结果，设定分析工况，在计算节点上对太阳电池阵模型进行展开冲击状态和发射阶段准静态过载状态的强度分析，获得太阳电池阵在展开冲击状态和发射阶段准静态过载状态的应力；

s5：根据所述整机柔性体文件，在所述计算节点上进行驱动机构的机构动力学分析，得到驱动机构电压、电流、负载力矩变化曲线；

s6：判断所述步骤s2、s3、s4及s5的结果是否符合设计要求：如符合，结束仿真；如果不符合，则返回所述步骤s1重新确定及输入所述太阳电池阵参数。

其中，上述的总体参数包括：太阳电池阵的构型、基板个数、展开方式及是否包含连接架；所述连接架参数包括：连接架的左侧高度，连接架长度，连接架构型，连接架各梁的材料参数和梁截面参数，连接架调整后的质量；所述基板参数包括：基板长度、基板高度、压紧孔的位置、是否绑定连接架、基板边框的材料参数和梁截面参数、基板电池板各层的材料参数和厚度方向、基板调整后的质量及基板压紧孔加强区域半径；所述展开锁定机构参数包括：根铰链和板间铰链刚度系数、预紧力矩、各方向等效刚度、ccl组件参数；所述压紧释放机构参数包括：材料参数、等效半径和质量。

应用例：

参考图3所示，为本应用例所应用的典型太阳能电池阵，通过图1所示的卫星太阳电池阵多学科仿真系统按照图2所示的卫星太阳电池阵多学科仿真方法的流程进行卫星太阳电池阵的多学科仿真。

如图3所示，该典型的太阳能电池阵包括三块基板，分别为内板11、中板12及外板13，三块基板依次通过展开锁定机构21相连。其中，内板11的另一侧通过连接架31连接至卫星本体上，其中，连接架31边缘处设有连接架ccl组件41，三块基板的边缘处分别设有板间ccl组件，外板13上设有压紧释放机构51。该太阳能电池阵的三块基板展开的基频为0.25hz，现在设计中需要增加太阳电池阵受光照面积，在基板尺寸不修改的情况下增加基板数目为4块，由于预埋件、电线等附件质量的增加，连接架的质量调整为7.8kg，同时确保展开的基频不小于0.15hz，并进行机构、强度、驱动耦合分析。

步骤s1、确定太阳电池阵参数。具体为：进入系统界面，新建并打开方案，此时系统后台从基础数据库中读取数据，为方案设置默认参数；修改总体参数，将基板数目从3改为4，其他总体参数保持默认值不变，点击保存参数，将总体参数保存至基础数据库；修改连接架参数，勾选质量调整，预估质量改为7.8kg，其他连接架参数保持默认值不变，点击保存参数，将连接架参数保存至基础数据库；基板参数，展开锁定机构参数，压紧释放机构参数均保持默认值不变；

步骤s2、模态分析。具体为：点击模态分析模块的计算按钮，开始模态分析，此时系统后台调用计算调度模块找到空闲的计算节点，在计算节点上，从基础数据库读取模态分析所需太阳电池阵参数，进行有限元建模，并调用nastran进行模态分析，得到整机前十阶模态振动频率和振型的位移、应力云图，这些结果参数和图片自动输出到word报告中，待计算结束后，从界面在线预览结果word报告，可以看到，展开第1阶频率为0.152hz，大于0.15hz，符合条件；

步骤s3、刚柔耦合机构动力学分析。点击刚柔耦合机构动力学分析模块的计算按钮，开始刚柔耦合机构动力学分析，此时系统后台调用计算调度模块找到空闲的计算节点，在计算节点上，从基础数据库读取刚柔耦合机构动力学分析所需太阳电池阵参数和模态分析得到的连接架和基板的柔性体文件，导入adams中进行刚柔耦合，得到初始收拢状态adams模型，该模型中整个太阳电池阵框架为刚体，连接架和基板为柔性体，坐标系与模态分析中的创建的收拢模型的坐标系相同，然后对adams模型进行展开过程中的动力学分析，得到展开时间、各关键零部件、传动关节、铰链、对星安装面载荷信息和ccl张紧力变化曲线，生成word报告，待计算结束后，从界面在线预览结果word报告，可以看到，在13s的时候完全展开；打开机构分析动画，可以看到展开方式确为根部90度展开，板间180度的方案；

步骤s4、强度分析。点击强度分析模块的计算按钮，开始强度分析，此时系统后台调用计算调度模块找到空闲的计算节点，在计算节点上，从基础数据库读取强度分析所需太阳电池阵参数、机构分析得到的整个展开过程中的最大载荷，进行细化模型、把载荷加载到部件的受力位置、设置边界，用nastran进行强度分析，得到基板和铰链的应力并生成word报告，待计算结束后，从界面在线预览结果word报告，可以看到，展开应力为约27.0mpa，发射应力为约9.5mpa和4.3mpa；

步骤s5、机电耦合分析。点击机电耦合分析模块的计算按钮，开始驱动耦合分析，此时系统后台调用计算调度模块找到空闲的计算节点，在计算节点上，从基础数据库读取驱动耦合分析所需太阳电池阵参数和模态分析结果文件，利用simulink和adams建立详细的太阳电池阵和驱动机构的机电一体化模型,对整个系统进行机构动力学分析，得到驱动机构电压、电流、负载力矩变化曲线并生成word报告，待计算结束后，从界面在线预览结果word报告查看计算结果；

步骤s6、判断步骤s2、s3、s4及s5的结果是否符合设计要求：如符合，结束仿真；如果不符合，则返回步骤s1重新确定及输入所述太阳电池阵参数。

本发明提供的仿真系统及方法通过调用分析软件，进行卫星太阳电池阵的模态分析、刚柔耦合机构运动学分析、强度分析、机电耦合分析；用人机交互界面获得用户输入的卫星太阳电池阵参数，以及显示计算结果，用基础数据库存储仿真分析所需的材料库、参数库、模型库，对计算资源进行计算调度。该系统及方法适合用于型号早期方案可行性论证、性能优化、可靠性设计，为卫星太阳电池阵提高研制质量、加快研制周期、提高可靠性提供有力的保障。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。