太陽(yáng)屏熱變形研究的論文
摘要：地球同步軌道輻射制冷器中大口徑太陽(yáng)屏常采用圓錐型和方錐型。運(yùn)用有限元方法就這兩種形狀的大口徑太陽(yáng)屏對(duì)由溫差而產(chǎn)生的熱變形進(jìn)行了分析。給出了圓錐型和六面體方錐型太陽(yáng)屏的有限元模型和熱變形圖，同時(shí)描繪出與圓錐外徑相同時(shí)不同邊數(shù)的方錐型太陽(yáng)屏的最大熱變形量的關(guān)系對(duì)比曲線，得出相應(yīng)的結(jié)論。就熱變形而言，在工藝允許的條件下，最好采用圓錐型太陽(yáng)屏；如果采用方錐型，則方錐型的邊數(shù)越多熱變形越小。
關(guān)鍵詞：大口徑太陽(yáng)屏有限元方法熱變形
1前言
輻射制冷器具有重量輕、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、壽命長(zhǎng)、無(wú)振動(dòng)、極少消耗航天器寶貴能源等突出優(yōu)點(diǎn)，特別適合空間飛行器紅外遙感探測(cè)的使用要求。目前，輻射制冷技術(shù)是空間長(zhǎng)壽命飛行器制冷手段的首選【1】。地球同步軌道衛(wèi)星運(yùn)行的角速度與地球自轉(zhuǎn)角速度相同，相對(duì)地球是靜止的，可以實(shí)現(xiàn)全天的對(duì)地觀測(cè)。由于赤道平面與陽(yáng)光所在的黃道平面有23.50的夾角，陽(yáng)光能照射到衛(wèi)星的各個(gè)表面。當(dāng)輻射制冷器開(kāi)口指向地球的北極或南極時(shí)，陽(yáng)光照射到輻射制冷器的時(shí)間一年當(dāng)中只有六個(gè)月，在夏至（或冬至）時(shí)入射角最大為23.50。
為避免直射陽(yáng)光對(duì)輻射制冷器性能的影響，一般采用兩種方法來(lái)解決。一種方法是衛(wèi)星在春秋分點(diǎn)調(diào)頭，輻射制冷器永遠(yuǎn)見(jiàn)不到太陽(yáng)光。采用這種方法，輻射制冷器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制冷性能易達(dá)到，但對(duì)衛(wèi)星總體技術(shù)的要求高；另一種方法是衛(wèi)星在春秋分點(diǎn)不調(diào)頭，陽(yáng)光入射角隨季節(jié)變化，輻射制冷器可采用太陽(yáng)屏來(lái)屏蔽太陽(yáng)光，但這種方法加大了輻射制冷器的研制難度。目前我國(guó)常采用第二種方法來(lái)解決直射陽(yáng)光對(duì)輻射制冷器性能的影響【2】。隨著空間制冷技術(shù)的不斷發(fā)展，要求提供更大的制冷量和更低的制冷溫度，這無(wú)疑將增大輻射制冷器的尺寸，因此使得研究大口徑的太陽(yáng)屏由溫差而引起的熱變形顯得更為重要�？紤]到工藝等因素，常采用的大口徑太陽(yáng)屏的形狀有圓錐型和方錐型兩種。
2大口徑太陽(yáng)屏的熱變形分析
有限元方法是20世紀(jì)中葉在電子計(jì)算機(jī)誕生
后，在計(jì)算數(shù)學(xué)、計(jì)算力學(xué)和計(jì)算工程科學(xué)領(lǐng)域里誕生的最有效的計(jì)算方法。有限元方法的基本思想是將連續(xù)的求解域離散為一組有限個(gè)、且按一定方式相互聯(lián)結(jié)在一起的單元的組合體。由于單元能按不同聯(lián)結(jié)方式進(jìn)行組合，且單元本身又可以有不同的形狀，因此可以模型化幾何形狀復(fù)雜的求解域。經(jīng)過(guò)40年的發(fā)展不僅使各種不同的有限元方法形態(tài)相當(dāng)豐富，理論基礎(chǔ)相當(dāng)完善，而且依據(jù)開(kāi)發(fā)了一批實(shí)用有效的通用和專用有限元軟件，使用這些軟件已經(jīng)成功地解決了機(jī)械、力學(xué)、物理和熱學(xué)等領(lǐng)域眾多的大型科學(xué)和工程計(jì)算難題【3】。其中ANSYS是眾多通用有限元軟件中應(yīng)用較廣的軟件之一。
計(jì)算過(guò)程中，大口徑太陽(yáng)屏選用航空航天中常用的硬鋁材料,太陽(yáng)屏的厚度取為3mm，高度取為600mm。太陽(yáng)屏的溫度假定從無(wú)陽(yáng)光照射時(shí)的-80℃變化到有陽(yáng)光照射時(shí)的20℃，為簡(jiǎn)化計(jì)算忽略了材料的屬性隨溫度的變化影響，取材料屬性在這一溫度范圍內(nèi)的平均值來(lái)代替，其中材料的熱膨脹系數(shù)取為21.4×10-6，彈性模量取為72GPa【4】。表一給出計(jì)算時(shí)的圓錐型太陽(yáng)屏的半徑和與圓錐外徑相同時(shí)不同邊數(shù)的方錐型太陽(yáng)屏的邊長(zhǎng)。
表一圓錐型太陽(yáng)屏的`半徑和方錐型太陽(yáng)屏的邊長(zhǎng)形狀大口徑端半徑或邊長(zhǎng)（mm）小口徑端半徑或邊長(zhǎng)（mm）
圓錐型750450
四面體1060.7636.4
六面體750450
八面體574344.4
十面體463.5278.1
十二面體388.2232.9
依據(jù)以上模型信息，在有限元ANSYS軟件中進(jìn)行大口徑太陽(yáng)屏的熱變形分析。首先通過(guò)對(duì)太陽(yáng)屏的形狀和所受到的載荷及邊界條件的初步判定，決定采用shell四面體單元來(lái)模擬太陽(yáng)屏的受力情況。選好單元后，設(shè)定單元的實(shí)常數(shù)即厚度為3mm，并依據(jù)查到的資料對(duì)材料的屬性賦予了相應(yīng)的值。在此基礎(chǔ)上采用實(shí)體建模方法建立了大口徑太陽(yáng)屏的實(shí)體模型，劃分網(wǎng)格并對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行檢查得到了與實(shí)體模型相對(duì)應(yīng)的有限元模型。設(shè)定溫度載荷從-80℃變?yōu)?0℃，約束錐型的小口徑端為固定端，設(shè)置求解類型為靜態(tài)分析，再對(duì)建好的有限元模型進(jìn)行檢查后進(jìn)行求解分析，得到最終的分析結(jié)果。
3結(jié)果和討論
圖一和圖二分別給出了圓錐型太陽(yáng)屏和六面體方錐型太陽(yáng)屏的有限元模型。其中圓錐型太陽(yáng)屏共劃分622個(gè)節(jié)點(diǎn)，578個(gè)單元；六面體太陽(yáng)屏共劃分575個(gè)節(jié)點(diǎn)，524個(gè)單元。為驗(yàn)證有限元網(wǎng)格密度是否足夠，又分別細(xì)化太陽(yáng)屏的有限元模型，計(jì)算后的結(jié)果與上述網(wǎng)格密度時(shí)的結(jié)果基本一致，表明以上網(wǎng)格的精度可以滿足計(jì)算的精度要求。
圖1圓錐型太陽(yáng)屏有限元模型
圖2六面體方錐型太陽(yáng)屏有限元模型
依據(jù)以上的有限元模型，經(jīng)分析得到了圓錐型
太陽(yáng)屏在溫度載荷從-80℃變?yōu)?0℃，圓錐型的小口徑端為固定端時(shí)的變形分布情況如圖三所示。由圖三可知太陽(yáng)屏的變形沿圓錐的母線方向從小口徑端到大口徑端呈均勻性變化，變形量逐漸增大，小口徑端為約束端無(wú)變形，大口徑端的變形量最大為1.963mm。
圖3圓錐型太陽(yáng)屏的熱變形分布圖
為了對(duì)比圓錐型太陽(yáng)屏和方錐型太陽(yáng)屏的熱變形情況，對(duì)六面體方錐型太陽(yáng)屏在同樣載荷和邊界條件下的熱變形進(jìn)行了分析。六面體方錐型太陽(yáng)屏的變形分布情況如圖四所示，由圖四可知太陽(yáng)屏的變形規(guī)律與圓錐型太陽(yáng)屏的相一致，即太陽(yáng)屏的變形沿多面體小口徑端到大口徑端呈均勻性變化，變形量逐漸增大，小口徑端為約束端無(wú)變形，大口徑端的變形量最大為2.019mm。由這兩個(gè)變形分布圖對(duì)比可知，在距小口徑端相同的距離處，多面體太陽(yáng)屏的變形量均大于圓錐型太陽(yáng)屏的變形量。
圖四六面體方錐型太陽(yáng)屏的熱變形分布圖
同時(shí)，為了比較不同邊數(shù)的方錐型在相同的載荷和邊界條件下的熱變形情況，又分別對(duì)四面體、八面體、十面體和十二面體方錐型太陽(yáng)屏進(jìn)行了分析，得到了多面體的邊數(shù)和最大變形量之間的關(guān)系曲線如圖五所示。由圖五可知隨著多面體邊數(shù)的增多大口徑太陽(yáng)屏的最大變形量逐漸減小，如果多面體的邊數(shù)增加為無(wú)窮多，太陽(yáng)屏的最大變形量將趨近圓錐型的變形值達(dá)到最小。
圖五多面體的邊數(shù)與最大變形量的關(guān)系曲線
4結(jié)論
采用有限元方法對(duì)地球同步軌道輻射制冷器中常采用的圓錐型和方錐型的大口徑太陽(yáng)屏，對(duì)由季節(jié)變化而引起的溫差而產(chǎn)生的熱變形進(jìn)行了分析。就熱變形而言，太陽(yáng)屏的小口徑端為約束端無(wú)變形，沿著母線方向隨著口徑增大變形量逐漸增加，大口徑端變形量達(dá)到最大值。同時(shí)，多面體的邊數(shù)越多大口徑端的變形量越小。因此在工藝允許的條件下，最好采用圓錐型太陽(yáng)屏，如果采用方錐型，則應(yīng)選用盡可能多的邊數(shù)。
參考文獻(xiàn)
[1]王維揚(yáng)，董德平.中科院上海技術(shù)物理研究所空間制冷技術(shù)的發(fā)展與展望.空間制冷技術(shù)專題研討會(huì)論文集.2004，13-17
[2]陸燕，張玉林.地球同步靜止軌道大冷量輻射制冷技術(shù).空間制冷技術(shù)專題研討會(huì)論文集.2004，145-151
[3]王國(guó)強(qiáng).實(shí)用工程數(shù)值模擬技術(shù)及其在ANSYS上的實(shí)踐.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2000
[4]陳國(guó)邦.低溫工程材料.杭州：浙江大學(xué)出
【太陽(yáng)屏熱變形研究的論文】相關(guān)文章：
Led顯示屏軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與研究論文10-26
太陽(yáng)能變形汽車01-11
隧道工程施工地表變形研究論文11-05
橋梁工程結(jié)構(gòu)施工變形控制質(zhì)量的研究論文10-26
太陽(yáng)的作文【熱】04-30
【熱】太陽(yáng)的作文03-23
【熱】《太陽(yáng)》教學(xué)設(shè)計(jì)12-21
【熱】心中的太陽(yáng)作文02-12