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太阳能帆板的热疲劳研究

李琼阳  
【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。


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