仿真案例｜使用多體動力學(xué)軟件仿真柔性可卷太陽能電池陣列的展開過程

安世亞太

2021年12月6日 15:10

上海安世亞太公司

在未來，執(zhí)行外行星任務(wù)將耗費巨大電能，而這些電能將由300千瓦級的大型柔性可卷太陽能電池陣列提供。在物理測試極度受限的外太空條件下，大型可展太陽能電池陣列的卷曲、展開相關(guān)性能的非線性動力學(xué)分析與仿真，對于輔助這些陣列的研發(fā)具有極其重要的意義。多體動力學(xué)軟件（RECURDYN軟件）為柔性航天器結(jié)構(gòu)展開過程仿真提供了一個理想的研發(fā)平臺。

Brant Ross¹ & Nelson Woo.²

MotionPort, LLC, St. George, UT 84790

Joseph R. Blandino³

Virginia Military Institute, Lexington, VA 24450

模型綜述

一個典型的狹縫可卷支撐管如下圖1所示。這些支撐管由金屬或復(fù)合材料制成。對于航天器應(yīng)用，發(fā)射前的卷繞結(jié)構(gòu)中，支撐管材料被卷在一個圓柱軸上。展開過程中，材料展開，應(yīng)變能促使形成管狀結(jié)構(gòu)。圖1顯示了支撐管材料在展開過程中形成的順序圖。

仿真案例｜使用多體動力學(xué)軟件仿真柔性可卷太陽能電池陣列的展開過程的圖2

圖1：用于航天器應(yīng)用的狹縫可卷支撐管。當(dāng)狹縫管展開時，應(yīng)變能使支撐管變成管狀結(jié)構(gòu)。

圖片由ROCCO R公司提供。

為了仿真狹縫支撐管的展開過程，必須執(zhí)行的功能是：

1）狹縫管圍繞位于太陽能電池陣列支撐管末端的芯軸成型

2）狹縫管卷在芯軸上以仿真卷繞過程

3）狹縫管必須展開成合適的形狀

圖2顯示了在芯軸上卷繞狹縫管的概況。

仿真案例｜使用多體動力學(xué)軟件仿真柔性可卷太陽能電池陣列的展開過程的圖3

圖2：在芯軸上卷繞狹縫管的順序

一旦支撐管在芯軸上成型，就開始進(jìn)行卷繞仿真，支撐管圍繞芯軸平穩(wěn)卷起，直到形成卷繞裝配結(jié)構(gòu)。約束和施加的載荷用于控制卷繞運動，并保持支撐管上所需的張力。該過程中，仿真準(zhǔn)確地模擬了狹縫管卷繞支撐管的整個過程，結(jié)果包括壓扁狹縫管引起的預(yù)應(yīng)力，它將為太陽能電池陣列結(jié)果展開仿真提供初始配置和條件。在展開仿真過程中，正確定義阻尼機(jī)制所提供的約束力對于正確控制展開是非常重要的。

全太陽能電池陣列模型擴(kuò)展

在上述單個狹縫管的仿真基礎(chǔ)上，研究了全太陽能電池陣列多體仿真，模型包含圖3所示的實體，包括芯軸、狹縫管卷繞支撐管、光伏覆蓋層和架體。芯軸和架體被視為剛體，而狹縫管和覆蓋層被視為柔性體。同時為簡化模型并自動化繁瑣和重復(fù)的任務(wù)，在多體動力學(xué)軟件中開發(fā)了一個垂直應(yīng)用程序，用于將狹縫管成型到芯軸上、狹縫管卷繞過程以及展開過程仿真。