基于Ansys和Nastran的太阳电池阵建模及模态分析.pdf

第32 卷第2 期2023 年6 月计算机辅助工程Computer Aided EngineeringVol.32 No.2Jun.2023文章编号：10 0 6-0 8 7 1(2 0 2 3)0 2-0 0 6 2-0 3D0I:10.13340/j.cae.2023.02.011基于 Ansys 和 Nastran 的太阳电池阵建模及模态分析袁岁维-2，赵泓滨12，李壮1.2（1.中国电子科技集团公司第三十九研究所，西安7 10 0 6 5；2.陕西省天线与控制技术重点实验室，西安7 10 0 6 5摘要：用Ansys与Nastran两种求解器对同一个太阳电池阵模型进行求解，详细介绍模型创建、网格特性检查和单元属性设置的方法。通过模态分析并比较计算结果，验证同一个模型在不同求解器下参数设置的正确性，为有限元模型格式的转化提供参考。关键词：有限元模型；复合材料；铰链；网格检查；属性设置中图分类号：TM914.43；T B115.1Modeling and modal analysis of solar battery arrayYUAN Suiweil-,ZHAO Hongbin-2,LI Zhuang1,2(1.The 39th Research Institute,China Electronics Technology Group Co.,Xi an 710065,China;2.Shaanxi Key Laboratory of Antenna and Control Technology,Xi an 710065,China)Abstract:Ansys and Nastran solvers are used to solve the same solar battery array model,and themethods of model creation,mesh characteristic inspection and element attribute setting are introduced indetail.Through modal analysis and comparison of calculation results,the correctness of parametersettings of the same model under different solvers is verified,which provides support for thetransformation of finite element model format,and has certain guiding significance.Key words:finite element model;composite material;hinge;mesh check;property setting0引言在航天领域的相关配套设备中，太阳电池阵有过体装式、带桨展开式、单板展开式、多板展开式、柔性多模板多维展开式等总体构型的发展历程，目前主要研究多板展开式（刚性基板结构）太阳电池阵。多板展开式太阳电池阵中各块基板通过铰链连接 ，单块电池阵采用“碳纤维复合材料面板+铝蜂窝芯+聚酰亚胺膜”的典型结构。发射前太阳电文献标志码：Bbased on Ansys and Nastran池阵收拢，各块基板呈折叠状态，板与板之间通过压紧衬套、压紧释放装置等固定在模拟墙或舱板上；进人太空后,压紧释放装置解锁，各块基板在铰链作用下依次展开，附着在基板上的太阳电池片通过吸收太阳光照进入工作状态。太阳电池阵空间展开工作状态示意见图1。对太阳电池阵进行结构设计时，主要校核太阳电池阵展开状态、收拢状态的基频，以及收拢时在给定的力学振动试验条件下，太阳电池阵的材料裕度收稿日期：2 0 2 2-0 7-2 8 修回日期：2 0 2 2-0 9-2 1作者简介：袁岁维（19 8 5一），女，陕西礼泉人，高级工程师，研究方向为结构仿真分析，（E-mail)；赵泓滨（19 6 8 一），男，陕西西安人，研究员，研究方向为机械结构设计，（E-mail)http:/cae ;smucae 第2 期图1太阳电池阵空间展开工作状态示意是否满足要求。借助有限元工具对模型进行仿真分析，前期主要采用Ansys 的APDL语言建模,其可以方便地修改模型参数而不依赖于三维模型本身，但无法精准地模拟细节问题，且建模耗时较长。后期主要采用HyperMesh 进行建模,其后处理可与Ansys和Nastran等多种软件兼容。在使用Ansys进行太阳电池阵力学仿真的过程中,Ansys无法与目前航天领域主流的力学仿真软件Nastran兼容，模型无法直接提交总体单位进行整星仿真，因此寻求在Nastran中创建太阳电池阵的方法，主要涉及基板（复合材料）、铰链的简化与模拟，并与Ansys 的计算结果进行对比,验证方法的正确性。1有限元模型中的参数以某太阳电池阵为例,设定其由2 块基板组成，单块基板尺寸为1.0 m0.8m,太阳电池阵沿基板长边方向展开,展开后基板间隔6 0 mm，为铰链展开锁定后的间距。基板为碳纤维与蜂窝夹层结构,按照蒙皮0/蒙皮9 0/蜂窝/蒙皮0/蒙皮9 0/聚酰亚胺的铺层顺序组成2 。在创建有限元模型时，基板使用壳单元模拟，网格大小为0.0 1mm。模型中共有2 组（4个）铰链，一组铰链用于2 块基板间的连接，另一组用于铰链与星体的连接。铰链居中且相距0.3m，使用梁单元模拟，分别与基板进行耦合处理。在展开状态下对与星体连接的铰链节点进行全约束，达到简化且尽可能模拟产品实际安装状态的目的。太阳电池阵有限元模型见图2。图2 太阳电池阵有限元模型模型选用1组蒙皮、蜂窝及铰链的特性参数,这些参数在实测值基础上又进行修正，仅用于文中模cae ;smucae 袁岁维，等：基于Ansys和Nastran的太阳电池阵建模及模态分析型的计算,不作为工程实际使用。碳纤维楞丝宽2 mm、高0.1mm，栅格大小为6mm6mm,将栅格状蒙皮等效为厚度为0.0 334mm的壳单元,在后处理材料属性设置中,分别输人3D各向异性的材料参数，弹性模量选项依次输人110、4和4GPa,泊松比选项依次输人110-6、110-和0.2 3,剪切模量选项依次输人2、2 和0.7 1CPa,密度设为 1 6 0 0 kg/m。蜂窝参数属性设置中，弹性模量选项依次输人0.6、0.6 和150 0 MPa，泊松比选项依次输人0.9 9 9、0.3和0.3，剪切模量选项依次输入0.15、6 0 0 和6 0 0MPa,密度设为50 kg/m。蜂窝高度为12 mm,聚酰亚胺蒙皮厚度为0.0 5 mm。基板中太阳电池片的质量通过在截面参数中设置附加质量实现，电池片的面密度设置为1.5kg/m。铰链为钛合金材料，对铰链的主弯、侧弯、扭转、拉压刚度等进行实际测量，并与铰链模量相除进行折算修正后，得到铰链单元的等效面积、截面惯性矩和扭转惯性矩。在进行铰链属性定义前，需要明确IxlyI.分别表示绕、y、z 轴旋转时对应的截面惯性矩。惯性矩是一个几何量，通常被用作描述截面抵抗弯曲的性质。修正后的参数为：面积2.0 mm，主弯刚度对应的截面惯性矩30 0 0 mm,侧弯刚度对应的截面惯性矩0.3mm,扭转刚度对应的扭转惯性矩10 0mm*。附加质量对应的线密度为3.0 kg/m，用于调整铰链单元的质量，保证与实物质量一致。2建立有限元模型对同一个太阳电池阵模型选用不同的求解器进行求解,在HyperMesh 中完成前处理建模。划分好网格后，查看并调整单元的法向及材料方向3-5。基板为典型的6 层铺层结构,Layerl表示单元的最底面,查看单元的法向以确认层板的铺层顺序。铺层方向指某层材料的铺层角度，设纤维与x轴成0 角，若铺层角为30,纤维与x轴就成30 角。借助坐标系（整体/局部），可以将单元材料方向调整一致,确保基板的属性设置与实物保持一致。创建铰链时，将铰链位置的2 个节点连接成线，对线进行网格划分，其中单元的属性选择杆单元，节点形成的线所在的直线为梁单元的x向。划分铰链单元时，可以选择自动、向量、节点等多种方式调整梁单元的单元方向。设置铰链方向是重点，其与后续输入铰链属性实常数密切相关。63http:/64为说明问题，本文分2 种工况进行讨论：(1)工况1。太阳电池阵展开/收拢时转轴所在方向为梁单元的向。(2)工况2。太阳电池阵展开/收拢时转轴所在方向为梁单元的z向。网格划分后得到铰链的有限元模型，因为铰链（梁单元)的长度方向为向，所以梁单元的方向只有上述2 种工况。太阳电池阵其他零部件的建模属于常规网格划分6 ,此处不再赘述。3Ansys 模型求解将HyperMesh中生成的前处理模型导人Ansys中，铰链使用梁单元进行创建，查看铰链的单元方向、设置步骤1中铰链的实常数属性，完成对铰链的定义。（1)工况1。铰链展开/收拢时的转轴方向为单元y向，铰链两点连线为单元向。因此，绕轴旋转的截面惯性矩为30 0 0 mm*,绕z轴旋转的截面惯性矩为0.3mm*,绕轴旋转的扭转惯性矩为10 0mm,附加质量对应的线密度为3.0 kg/m。由模态分析可知，太阳电池阵展开态1阶频率为1.16 Hz，振型为沿z向侧摆，见图3（在进行求解时，所有物理量均按照国际单位制进行输人，为封闭单位)。图3Ansys下太阳电池阵展开态（工况1)1阶振型（2）工况2。铰链旋转时的转轴方向为单元z向,铰链2 点连线为单元向。因此,绕z轴旋转的截面惯性矩30 0 0 mm*,绕y轴旋转的截面惯性矩0.3mm*,绕轴旋转的扭转惯性矩10 0 mm,附加质量对应的线密度为为3.0 kg/m。由模态分析可知，太阳电池阵展开态1阶频率为1.16 Hz,振型为沿z向侧摆，见图4。对比模态计算结果可知,在 Ansys 中赋予铰链参数时,要与有限元模型相结合，查看模型展开/收拢时铰链转轴所在的方向，将绕该方向旋转的截面惯性矩定义为铰链实测主弯刚度对应的截面惯性矩，其他参数按照顺序输入即可。按照此方法进行参数输入后，2 种http:/计算机辅助工程工况下的模型一致。图4Ansys下太阳电池阵展开态（工况2)1阶振型4Nastran 模型求解将HyperMesh中生成的前处理文件导人Patran中,设置与Ansys中相同的材料属性及铺层,通过查看材料方向与单元方向检查设置是否正确。在有限元模型中，铰链设置为梁单元类型，在GeneralSection（C BEA M）选项中依次输人截面面积、截面惯性矩、扭转惯性矩、附加质量等，达到模拟铰链的目的。输人参数时，参照用户使用手册可知：Inertias 1.1中输人绕z轴旋转的截面惯性矩，Inertias 2.2中输人绕y轴旋转的截面惯性矩，Torsional Constants 中输人绕轴旋转的扭转惯性矩。通过查看铰链单元的方向可知：向对应铰链的主弯方向;z向对应铰链的侧弯方向;x向与铰链两点连线相对应。按照上述分析方法输入相应参数后，经过模态0.1080950.2161890.3242840.4323780.540.4730.648.5680.756.6620.864.7570.972.8512023年0.108.0950.21618900.3242840.432.3780.5404730.6485680.7566620.864.7570.972.851分析可知,太阳电池阵展开态1阶频率为1.16 Hz，振型为沿z向侧摆，见图5。图5Nastran下太阳电池阵展开态1阶振型5模态结果对比对同一个电池阵模型在2 种不同求解器下进行模态分析,计算得到前2 0 阶频率值，见表1。经过计算可知，2 种求解器得到的模型各阶频率差值的最大百分比为1.53%。(下转第6 8 页)cae ;smucae 9.73E-0019.08E-0018.48E-0017.78E-0017.13E-0016.48E-0015.84E-0015.19E-0014.54E-0013.89E-0018.24E-0012.59E-0011.95E-0011.30E-0012.48E-002068计算机辅助工程2023年参考文献：1张树桐.浅谈计算机辅助工程（CAE）的发展及应用J.科技传播，2 0 10（16）：2 32-2 33.2中水北方勘测设计研究有限责任公司：水利水电工程设计施工一体化精益建造关键技术及应用J中国水利，2 0 2 1（2 0）：144.3杜成波水利水电工程信息模型研究及应用D天津：天津大学，2 0 14.4田国政基于AnsysWorkbench的流固耦合下不同开度弧形闸门应力变形分析研究J水利科学与寒区工程，2 0 2 0，3(2)：6 2-6 7.5 徐娜娜。重力坝的三维有限元分析以及断面优化设计D甘肃：兰州理工大学，2 0 19.6曲爽，梁晨，基于Abaqus的CFRP布加固钢筋混凝土短梁的抗弯性能J计算机辅助工程，2 0 2 2，31（4）：50-54.D0I：10.13340/j.cae.2022.04.011.7郑国君，门永新，胡平，等：基于知识的CAE后处理流程化平台关键技术J.机械工程学报，2 0 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0.HzNastran模态阶数Ansys1.15762.60575.35086.38698.99810Nastran模态阶数Ansys16.30716.34122.51622.55522.59522.62438.98538.96739.326 39.436Nastran模态阶数Ansys1145.57745.7841257.55857.9371358.32858.5911462.87563.8351565.63065.731比较模态分析结果,验证参数设置的正确性，解决在已知铰链实测属性前提下，不同求解格式下太阳电池阵的建模问题,并证明模型的一致性，为后续同类型问题的解决提供参考。Nastran1666.4081772.40272.7061877.98578.4531978.85079.5852084.23885.224(编辑陈锋杰）66.701http:/cae ;smucae