卫星蜂窝夹层板隔热及热变形研究

作     者：李浩 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：姚国凤

授予年度：2018年

学科分类：08[工学] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：金属蜂窝夹层板 热传导 热变形 蜂窝单胞 热等效 

摘      要：金属蜂窝夹层板是卫星舱外壁的重要组成部分,具有良好的力学性能、降噪吸能及隔热等特点,使其在航天领域被广泛应用,如应用于卫星的被动热防护系统中。金属蜂窝夹层结构由上层、下层面板和中间芯层三部分组成。其中,上、下两面板较薄,主要承受面内包含温度载荷在内的各种载荷;中间芯层是正六棱柱筒状薄壁结构,主要起支撑和隔热作用。由于金属蜂窝夹层板结构的复杂性导致建立有限元模型比较困难,同时为了提高计算效率,需要建立夹层板的热等效模型。本文通过对蜂窝芯子进行相关力学参数等效,建立蜂窝夹层板热等效模型,通过热力学分析结果,验证所建立的蜂窝热等效模型。本文的主要内容如下:(1)从热分析角度确定合理的等效模型参数。基于三明治夹芯板等效理论建立蜂窝夹层板的有限元模型并计算蜂窝芯子的力学等效参数,推导出蜂窝等效芯子在x、y、z三个方向的等效热导系数和等效热膨胀系数。(2)探究蜂窝夹层板几何参数对热传导和热变形效应的影响。计算不同几何参数下蜂窝单胞结构的温度场和位移场变化情况。结果表明蜂窝板的隔热效果主要受到单胞的高度和厚度影响,而热变形主要受到单胞的边长和高度影响。(3)建立并验证金属蜂窝夹层板的热等效模型。分别对详细的夹层板模型和热等效模型进行热传导和热变形分析。对比结果显示两个模型的热传导误差在3%以内,热变形误差不超过6%,所以在一定条件下热等效模型能够替代蜂窝夹层板进行热分析。(4)将热等效模型应用到卫星整星简化模型中,进行热传导分析和热变形分析。分析结果得出负y板和负z板的热防护设施较弱,为确保单机正常工作,可在相应位置安装防护装置;分析结果显示,载荷舱的顶板、载荷舱负z板和载荷舱负y板单机位置结构刚度相对较小,为确保正常工作可在载荷舱的相应位置安装加强筋以提高结构刚度。本文提供了一种简化的蜂窝板热等效模型,可缩短整星的热分析时间。有助于提高整星热力学分析的建模效率和计算效率,缩短卫星的设计周期,同时整星的热力学分析结果为卫星的热设计提供了一定的数据支持。