[发明专利]兼具高共振频率和热失配零翘曲的超结构及其确定方法

说明书

本发明涉及一种兼具高共振频率和热失配零翘曲的超结构及其确定方法，超结构用于异质结构的连接，包括多级微结构；每一级微结构包括多个微结构单元；所述多级微结构由外向内分布，各级微结构具有自相似特征每级微结构在面内形成的包络线与异质结构的面内外形轮廓线均具有几何相似关系。基于本发明提供的超结构，在温度变化时的翘曲变形接近于零，而且具有高的一阶共振频率的特性，满足航天器结构在轨尺寸稳定性和发射高刚度的使用要求。

技术领域

本发明涉及航天器高精度有效载荷与航天器结构之间的连接结构，尤其涉及异质结构的热失配变形释放结构中，兼具高共振频率和热失配零翘曲的超结构及其确定方法。

背景技术

合成孔径雷达、光学相机、星敏感器等有效载荷是航天器实现天基定标与测量、空间科学与探测等功能的主要手段，其在空间轨道运行时，受太阳照射角度的影响，温度会在一定范围内变化。为了实现高分辨率测量、成像与监视，高性能有效载荷对航天器结构的热变形提出了苛刻的要求。有效载荷与航天器结构选材往往不同，构成异质结构，在温度变化时，由于两种材料的热变形不匹配，将产生翘曲变形，影响微波或光学遥感成像精度，或者影响天线指向精度。为了降低热变形，现有技术一般从材料和结构两个尺度进行设计：在材料尺度通过合金材料或复合材料技术实现热变形近零膨胀；在结构尺度通过结构设计实现热变形相互抵消或者热变形柔性释放。然而，现有材料尺度的技术方案，导致材料脆性、高密度、各向异性或者制造工艺复杂等缺点，而现有结构尺度的技术方案，存在结构固有频率过低，无法满足火箭发射对航天器结构最小固有频率要求，尤其是对于近百公斤量级或更重的有效载荷，还需要设计额外的压紧机构，用于提高发射时的固有频率，但压紧机构大大增加了结构重量成本，压紧机构的引入还导致系统可靠性降低。

发明内容

为至少在一定程度上克服现有技术中的上述问题，本发明提供一种兼具高共振频率和热失配零翘曲的超结构及其确定方法，基于本发明提供的超结构，在温度变化时的翘曲变形接近于零，而且具有高的一阶共振频率的特性，满足航天器结构在轨尺寸稳定性和发射高刚度的使用要求。

第一方面，本发明提出了一种兼具高共振频率和热失配零翘曲的超结构确定方法，该超结构用于异质结构中待连接结构的连接，包括：多级微结构；每一级微结构包括多个微结构单元；所述多级微结构由外向内分布，各级微结构具有自相似特征每级微结构在面内形成的包络线与异质结构的面内外形轮廓线均具有几何相似关系，该超结构确定方法包括如下步骤：：

步骤1)、建立有限元分析模型，所述有限元分析模型为包括第一结构板、第二结构板，以及刚性连接于所述第一结构板和所述第二结构板之间的超结构的模型；在该模型中，所述第二结构板与有效载荷刚性连接；

其中，第一结构板的材料热膨胀系数为α₁，第二结构板的材料热膨胀系数为α₂，且α₁≥α₂；

第一结构板和第二结构板在面内方向的内切圆直径分别记为D₁和D₂，且D_min＝Min(D₁,D₂)；

所述超结构中，微结构单元厚度的初始设计值为：

t₁＝Min(3Dmin/1000，d)，d为预先设定的厚度；

微结构单元宽度和高度的比值预先设定为w＝t₁/0.075，h＝t₁/0.015；

微结构单元相邻环向间距d_θ＝1.25w；

微结构单元径向层级数的初始设计值n₁＝10；

步骤2)、根据超结构使用时的位移约束情况，施加位移边界条件，进行模态计算，获得一阶固有频率f₁；