航天器在火箭發(fā)射過程中會經歷嚴酷的隨機振動環(huán)境，支撐結構作為航天器的關鍵承載部件，其強度和剛度能否滿足要求顯得十分重要。運用有限元分析軟件ansys 對低溫貯箱的絕熱支撐結構進行了隨機振動的模擬分析，得出了支撐結構在隨機激勵載荷作用下的響應，響應結果表明，支撐結構的強度和剛度滿足使用要求。

　　引言

　　航天器在發(fā)射階段會經歷噪聲、正弦振動、隨機振動、沖擊等一系列復雜和嚴酷的力學環(huán)境，這些環(huán)境是誘發(fā)航天器故障的重要原因。而在所有的力學環(huán)境中，由于火箭發(fā)動機推力不穩(wěn)定產生的脈動推力、跨聲速氣動噪聲以及穩(wěn)流邊界層噪聲等綜合作用引起的隨機振動環(huán)境是對航天器設備影響最為嚴重的力學環(huán)境之一，是航天器結構強度設計需要重點考慮的因素。振動引起的激勵會通過運載火箭與航天器的連接器，逐級傳遞到其它的各級系統(tǒng)和組件結構上，有可能引起各結構損壞和失效。

　　低溫貯箱是航天器的關鍵零部件之一，當火箭發(fā)射時其會受到強烈的沖擊與振動。作為重要的承載部件，低溫貯箱支撐結構的強度和剛度能否滿足要求對整個航天器顯得十分重要。因此對支撐結構的隨機振動的響應進行分析和研究是十分必要的。由于受試驗成本或條件的限制，在試驗之前有必要先通過有限元分析方法對支撐結構進行隨機振動模擬分析。這有助于縮短研制周期、降低研制成本;并且能夠驗證結構能否滿足力學條件以及發(fā)現(xiàn)結構設計中存在的不足，進而為結構的進一步優(yōu)化提供依據(jù)。

　　本文利用有限元分析軟件Ansys對低溫貯箱的新型絕熱支撐結構進行隨機振動的模擬分析，得出了支撐結構在給定的隨機載荷激勵譜下的位移與應力分布及加速度響應，并對結果進行了分析。

1、有限元模型

　　低溫貯箱的新型絕熱支撐結構是一種通過改變熱、力的傳遞路徑來有效解決傳統(tǒng)支撐結構傳熱與受力矛盾的一種桿支撐，主要用于降低低溫貯箱軌階段的熱量傳遞，以盡可能的延長低溫液體在軌貯存時間。支撐的結構如圖1 所示。

圖1　新型絕熱支撐結構圖

　　在地面與發(fā)射階段，支撐主要承受較大的力載荷;而在軌階段，支撐不再受外力作用，主要承受熱載荷。其工作原理為：由于冷端接觸桿與接觸螺母及冷端主體之間存在著微小的間隙，在地面及發(fā)射時支撐受壓縮或拉伸，使得冷端接觸桿與接觸螺母或冷端主體接觸，載荷傳遞路徑短，因此這時支撐能承受較大的力載荷作用;而在軌時則由于支撐不受外力作用，冷端接觸桿便與接觸螺母或冷端主體相分離，熱量沿著冷端軸承桿—冷端接觸桿—在軌管—調節(jié)襯套—冷端主體—發(fā)射管—熱端主體—長度調節(jié)桿—熱端軸承桿的路徑傳遞，傳熱路徑及熱阻較地面與發(fā)射階段大大增加，因此能有效降低低溫貯箱通過支撐的熱量傳遞。支撐結構各元件的材料構成為：冷端主體、接觸螺母、冷端接觸桿、調節(jié)襯套、熱端主體、大小卡圈選用殷鋼，發(fā)射管選用S 玻璃纖維環(huán)氧樹脂，在軌管選用石墨環(huán)氧樹脂，軸承桿、球頭軸承、長度調節(jié)桿和螺母選用奧氏體不銹鋼。各材料的主要屬性如表1 所列。

表1　相關材料屬性

　　運用Proe軟件建立支撐結構的三維實體模型，并建立計算模型中的總體坐標系，取支撐結構的軸向為X 軸方向，軸向的垂直方向為Y 軸方向，Z 軸方向按右手定則確定。將建立的實體模型導入有限元分析軟件Ansys Workbench 平臺。為便于有限元分析，對實體模型的某些細節(jié)結構進行簡化處理，如將螺紋連接簡化為圓柱面接觸，并將接觸面處理為綁定接觸;將小孔用實體填充。對于動力學分析而言，其對有限元模型的網格質量的要求較高，尤其對應力梯度變化較大等這些有可能引發(fā)材料甚至結構失效的重點關注的部位需要將網格劃分更為細密。對支撐的實體模型采用多體劃分、局部細化控制等方法劃分網格，以使得網格質量達到所需要求。模型共有84 590 個單元，147 381 個節(jié)點。劃分網格后的有限元模型如圖2 所示。

圖2　劃分網格后的有限元模型

2、結論

　　通過對新型絕熱支撐結構模型進行隨機振動的有限元模擬分析，分析結果表明，該結構滿足動態(tài)強度和剛度要求，能夠避免與主體結構發(fā)生共振，從理論上驗證了結構設計的可靠性。最大應力出現(xiàn)在冷端支撐桿處，因此該處是后續(xù)過程需要重點關注和優(yōu)化的元件。加速度響應的最大值出現(xiàn)在650 Hz附近，故應避免在該頻率附近出現(xiàn)振動。條件允許的情況下，后續(xù)還應進行支撐結構隨機振動試驗，驗證并修正有限元模型及模擬結果。