一种基于曲率半径校核通信卫星软波导强度的方法与流程

本发明涉及一种基于曲率半径校核通信卫星软波导强度的方法，属于机械技术领域。

背景技术：

软波导是一种常用的通信卫星星上波导形式，其结构构型为由一组皱褶环依序连接构成的管状结构(如图1所示，主体构型类似于波纹管)，通常用来实现跨舱段的波导连接。为保证卫星功能性能的完好性，在整星波导布局和力学试验前，需要对软波导强度进行校核，避免软波导因承受力学环境载荷而开裂损坏，进而影响整星功能和性能。

当前通信卫星对于软波导的强度校核主要是基于类比方法和强度分析方法。类比方式主要是对以往星上软波导的环境试验数据进行梳理，并与拟使用的软波导进行对比分析，评估其安全性。但是由于软波导的截面尺寸、长度、所处舱段位置等因素均存在较大的差别，这一方法的准确度较差。强度分析方式主要是建立软波导的准确有限元模型，将其带入整星模型进行分析，计算软波导上的应力并与其许用应力进行比较，校核其强度，当应力计算较为准确时，这一方法的精度远高于前述类比方法。但是根据力学常识，应力为位移的一阶导数与弹性模量的乘积，由于软波导本身为皱褶环依序连接构成的管状结构，当网格稀疏时，虽然根据当前有限元软件普遍采用的最小位移变分原理，可以计算求解得到较为准确的位移值，但是其导数极有可能不连续，导致对其取一阶导数计算得到的应力畸变严重，计算值将严重偏大。若要精确计算其应力水平，则需要极其密集的有限元网格。由于计算量通常与网格密度的平方呈正比，计算量将极其庞大。综上所述，当前对软波导尽享强度校核的方法存在着不够准确和/或计算量难以承受的缺陷。

根据材料力学常识，结构内部某区域的应力与其局部的曲率半径有关，但是由于工程结构的复杂性，在一般的工程结构设计实践及各种相关标准中，没有以曲率半径形式给出的强度校核准则。一个原因是对于复杂工程结构，计算结构的曲率半径的复杂性远远超出了计算其应力的复杂性；另一个原因是许用强度仅取决于材料本身的特性，而许用曲率半径不仅取决于材料本身的特性，还与结构形式息息相关，不仅同样材料构成的不同结构的许用曲率半径不同，而且同一个结构内部的局部结构形式不同，也会导致不同局部结构的许用曲率半径不同。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题：为克服现有技术的不足，提供一种基于曲率半径校核通信卫星软波导强度的方法，有效规避了位移一次求导后计算应力精度低、应力量级偏大的缺陷，可有效提高校核的准确性。

本发明的技术解决方案：

一种基于曲率半径校核通信卫星软波导强度的方法，具体步骤为：

(1)建立软波导有限元模型：有限元模型中节点的排列方式与软波导母线方向平行，然后将软波导有限元模型导入已建立好的整星有限元模型中；

(2)选取软波导节点：在每一个皱褶环上各选取一个节点，形成一个节点组，并记录节点组中所有节点的初始坐标位置；

(3)在整星有限元模型上施加激励载荷，并计算所选取的软波导节点在每一个频点或每一个时间步的位移响应；

(4)在所选取节点的初始坐标上叠加步骤(3)计算得到的位移响应，得到承受激励时所选择节点的坐标位置；

(5)根据数学常识，任意3个点可以在三维空间唯一确定一个圆，则在第(2)步所选取的节点组中，基于每三个相邻的软波导节点，根据其承受激励时的坐标位置，即可计算得到其曲率半径；

(6)按照下式计算公式，根据产品使用场景校核软波导的强度是否符合安全裕度要求，

上式中，ms为安全裕度；rs为最小曲率半径，为步骤(5)中计算得到的所有曲率半径中的最小值；rf为许用曲率半径，由软波导自身特性决定；fs为安全系数，根据产品使用场景确定。

步骤(1)中模型上的每一个皱褶环沿波导轴线方向至少需要用4个单元表征其力学特性。

步骤(1)中模型上的每一个皱褶环用8个单元表征其力学特性。

步骤(2)中该节点组中所有节点均应位于一条与母线方向平行的直线上。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

本发明提出了一种首先利用软波导承受载荷激励后在星上位移的计算其曲率半径，再用曲率半径校核软波导强度的方法。一方面，由于软波导结构形式相对固定，为由一组皱褶环依序连接构成的类似于波纹管的管状结构，且在卫星工程实践中通常直接选用型谱化产品，可以通过力学试验或分析，明确确定其许用的曲率半径，替代直接校核其材料的许用强度的方法，作为校核软波导强度的准则，存在校核技术路线的可行性；另一方面，这一方法可以充分利用位移计算精度高的优点，有效规避了位移一次求导后计算应力精度低、应力量级偏大的缺陷，可有效提高校核的准确性。

附图说明

图1为本发明适用的软波导构型示意图；

图2为软波导截面定义示意图；

图3为本发明的基于曲率半径校核软波导强度的流程图；

图4为基于相邻的三个点求解曲率半径的示意图；

图5为软波导有限元模型的示意图；

图6为选取软波导有限元模型上一组与轴线方向平行的节点的示意图；

图7某型号通信卫星软波导安装位置示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。

本发明的技术解决方案主要包括：选取节点、计算相对位移、计算承受载荷后的坐标位置、计算曲率、校核曲率，具体实现步骤如下：

一种基于曲率半径校核通信卫星软波导强度的方法，具体步骤为：

(1)建立软波导有限元模型，有限元模型中节点的排列方式需与软波导母线方向平行，如图5和图6所示，然后将软波导有限元模型代入已建立好的整星有限元模型中；

(2)选取软波导节点：在每一个皱褶环上各选取一个节点，形成一个节点组，如图5所示，并记录节点组中所有节点的初始坐标位置；

(3)在整星有限元模型上施加激励载荷，并计算所选取的软波导节点在每一个频点或每一个时间步的位移响应；

(4)在所选取节点的初始坐标上叠加步骤(3)计算得到的位移响应，得到承受激励时所选择节点的坐标位置；

(5)根据数学常识，任意3个点可以在三维空间唯一确定一个圆，则按照图4所示的方法，在第(2)步所选取的节点组中，基于每三个所选取的相邻的软波导节点，根据其承受激励时的坐标位置，即可计算得到其曲率半径；

(6)按照下式所示的计算公式，根据产品使用场景校核软波导的强度是否符合安全裕度要求。

上式中，ms为安全裕度；rs为最小曲率半径，为第(5)步骤中计算得到的所有曲率半径中的最小值；rf为许用曲率半径，由软波导自身特性决定；fs为安全系数，根据产品使用场景确定。

步骤(1)中模型上的每一个皱褶环沿波导轴线方向至少需要用4个单元表征其力学特性，优选8个单元表征其力学特性。

步骤(2)中该节点组中所有节点均应位于一条与母线方向平行的直线上。

实施例

对于某型号通信卫星，卫星上安装了四根软波导，如图7所示。其具体实施方式：

1)首先逐一建立软波导的有限元模型，然后将软波导模型代入整星模型；

2)在每根软波导上选取一组与母线方向平行的节点，并记录其初始坐标位置；

3)在整星有限元模型上分别沿x、y、z方向施加表1所示的激励载荷，并计算所选取的软波导节点在每一个频点的位移响应；

表1激励载荷

4)将计算得到的位移响应叠加到每一个节点的初始坐标上，获取其在激励作用下的坐标位置；

5)计算承受激励时所选取的每一个节点处的曲率半径；

6)按照本专利方法校核曲率半径安全裕度如表2所示(表中e截面和h截面定义如图2所示)，校核时的许用曲率半径由软波导承研厂家给出，安全系数取1.5，要求安全裕度大于0。由表可见，最小安全裕度为0.72，满足大于0的使用判据要求，校核结果为软波导强度可以满足要求。采用同样的有限元模型，计算得到的最大应力及与许用强度强度的校核结果如表3所示，校核时的许用应力由软波导承研厂家给出，安全系数取1.5，要求安全裕度大于0。由表可见，最小安全裕度为-0.89，不满足大于0的使用判据要求，校核结果为软波导强度不满足要求。

表2基于曲率半径的软波导强度校核表

表3基于应力的软波导强度校核表

7)上述软波导随整星参与了力学试验考核，并顺利通过，验证了本专利提出方法的有效性。

本发明提出了一种首先利用软波导承受载荷激励后在星上位移的计算其曲率半径，再用曲率半径校核软波导强度的方法。一方面，由于软波导结构形式相对固定，为由一组皱褶环依序连接构成的类似于波纹管的管状结构，且在卫星工程实践中通常直接选用型谱化产品，可以通过力学试验或分析，明确确定其许用的曲率半径，替代直接校核其材料的许用强度的方法，作为校核软波导强度的准则，存在校核技术路线的可行性；另一方面，这一方法可以充分利用位移计算精度高的优点，有效规避了位移一次求导后计算应力精度低、应力量级偏大的缺陷，可有效提高校核的准确性。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。