太阳能帆板的热疲劳研究

【摘要】： 对于诸如哈勃望远镜的太阳能帆板主梁这种薄壁管在外层空间受到太阳等星体的辐射加热,其热变形是值得关注的。本文以Thornton理论作为热分析理论基础,利用ABAQUS有限元软件,对哈勃望远镜太阳能帆板的主梁在太阳光照下升温以及处于地球阴影时向外层空间散热降温的温度场进行了数值模拟计算,得到了相应的热变形和热应力。本文的结果与Thornton理论解、清华大学丁勇等的数值解符合较好,本文采用的方法可以比较准确地模拟空间薄壁构件的温度场和热变形,为后续的热诱发振动、热疲劳等研究奠定了基础。在热应力分析的基础上,采用MSC.Fatigue软件计算了哈勃望远镜太阳能帆板主梁的疲劳寿命,结果与NASA所做的相关材料实验符合较好。 通过上述研究,本文得到如下主要结果: (1)升温过程中,太阳能帆板主梁的平均温度在日照开始约15分钟以后趋于稳定,稳定状态时的平均温度约在403°K(即130℃)左右。降温过程中,太阳能帆板主梁管截面上下表面的温度大约在150秒以后趋于一致,管截面平均温度大概在1000秒以后和外界环境温度趋于相同。 (2)当太阳能帆板主梁受日照时,其截面温度分布呈余弦分布,随日照时间的增加,主梁整体温度呈上升趋势。当主梁上表面吸收的热量、上表面向下表面传导的热量、整根主梁向外散失的热量这三者达到动态平衡时,即15分钟后,整根主梁的温度场达到稳态。 (3)哈勃望远镜太阳能帆板主梁在受日照作用升温和处于地球阴影降温这种热循环作用下,内部形成周期性的热循环应力,本文合理地预测了太阳能帆板主梁的疲劳寿命,与实验结果吻合较好。 【关键词】：太阳能帆板 有限元 温度场 热变形 热应力 热疲劳
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TH751;TB302.3
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-27
• 1.1 研究的背景和意义11-12
• 1.2 国内外研究现状和有待解决的问题12-26
• 1.2.1 太阳能帆板简介12-13
• 1.2.2 温度对太阳能帆板的影响13-15
• 1.2.3 太阳能帆板构件内的温度场分析15-18
• 1.2.4 空间热循环引起太阳能帆板热疲劳失效18-20
• 1.2.5 疲劳理论的研究20-23
• 1.2.6 热疲劳的研究23-26
• 1.3 本文的工作26-27
• 第2章 帆板温度场的计算和模拟27-46
• 2.1 THORNTON理论热分析28-30
• 2.2 ABAQUS传热分析基本原理30-33
• 2.3 基于ABAQUS的温度场分析33-38
• 2.3.1 哈勃望远镜太阳能帆板实体模型33-35
• 2.3.2 ABAQUS有限元分析模型35-38
• 2.4 温度场计算结果与分析38-46
• 2.4.1 升温时温度场分布结果和分析38-44
• 2.4.2 降温时温度场分布结果和分析44-46
• 第3章 帆板主梁热变形和热应力的计算46-58
• 3.1 结构热变形THORNTON理论分析46-47
• 3.2 圆管空间结构热变形和热应力的有限元分析47-48
• 3.3 基于ABAQUS的热变形和热应力分析48-50
• 3.4 热变形和热应力计算结果与分析50-58
• 3.4.1 热变形的计算结果和分析51-53
• 3.4.2 热应力的计算结果和分析53-58
• 第4章 基于帆板应力场的疲劳分析58-71
• 4.1 疲劳理论58-61
• 4.1.1 疲劳的定义和分类58-59
• 4.1.2 确定疲劳寿命的方法59-61
• 4.2 基于MSC.FATIGUE的疲劳寿命分析61-63
• 4.3 疲劳寿命的计算结果和分析63-71
• 4.3.1 MSC.PATRAN有限元分析和应力结果63-66
• 4.3.2 MSC.FATIGUE疲劳寿命分析和结果66-71
• 结论71-72
• 致谢72-73
• 参考文献73-78
• 攻读硕士学位期间发表的论文及参与科研项目78

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