沈振兴，胡更开(.燕山大学建筑工程与力学学院，秦皇岛066004；.北京理工大学宇航学院，北京0008)



大型航天器结构的热致振动研究

沈振兴1，胡更开2
(1.燕山大学建筑工程与力学学院，秦皇岛066004；2.北京理工大学宇航学院，北京100081)

摘要:多数航天器在轨服役期间会受到冷热交变热辐射载荷作用而出现热致振动问题，因此，在结构设计阶段准确地预测热诱发的航天器动力学行为至关重要。基于绝对节点坐标方法，并采用耦合的热-结构分析模型，建立了可以对大范围运动的薄壁管和复合材料层合板进行热-动力学耦合系统分析的非线性有限单元，同时基于浓缩的形函数推出了非线性弹性力的高效计算公式。利用所建单元，针对受到太阳辐射热冲击载荷作用的航天器结构展开研究。首先，研究了经典的悬臂梁和板结构的热致振动，其位移响应都出现了不稳定的热颤振现象，并从热弯矩做功角度解释了产生热颤振的原因；然后，又研究了UARS卫星和Ulysses自旋稳定航天器的热致振动，将它们简化为刚-柔耦合的多体系统动力学模型，UARS的加速度响应出现了热跳变现象，而Ulysses的姿态角响应出现了热拍现象；最后，研究了大型环状天线的桁架结构及其支撑机械臂结构，热变形和振动幅值都较小，即结构较稳定。

关键词:航天器结构；热致振动；绝对节点坐标方法；耦合热-结构动力学分析

1　引言

航天器结构设计是一个复杂、多学科交叉的工程问题，要求对在空间恶劣环境下工作的结构进行热学、静力学、动力学、材料性能等分析。……