仿真案例｜使用多體動力學軟件仿真柔性可卷太陽能電池陣列的展開過程

上海安世亞太

2021年12月7日 15:14

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作者：Brant Ross，Nelson Woo，Joseph R. Blandino

翻譯：上海安世亞太

前言

在未來，執行外行星任務將耗費巨大電能，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、展開相關性能的非線性動力學分析與仿真，對于輔助這些陣列的研發具有極其重要的意義。多體動力學軟件（RECURDYN軟件）為柔性航天器結構展開過程仿真提供了一個理想的研發平臺。

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合材料制成。對于航天器應用，發射前的卷繞結構中，支撐管材料被卷在一個圓柱軸上。展開過程中，材料展開，應變能促使形成管狀結構。圖1顯示了用于航天器應用的狹縫可卷支撐管。當狹縫管展開時，應變能使支撐管變成管狀結構。圖片由ROCCOR公司提供。

圖1 支撐管材料在展開過程中形成的順序圖

為了仿真狹縫支撐管的展開過程，必須執行的功能是：

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：在芯軸上卷繞狹縫管的順序

一旦支撐管在芯軸上成型，就開始進行卷繞仿真，支撐管圍繞芯軸平穩卷起，直到形成卷繞裝配結構。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，仿真準確地模擬了狹縫管卷繞支撐管的整個過程，結果包括壓扁狹縫管引起的預應力，它將為太陽能電池陣列結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展

在上述單個狹縫管的仿真基礎上，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的任務，在多體動力學軟件中開發了一個垂直應用程序，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。

圖3：完整太陽能電池陣列多體模型

這些功能可從主菜單欄的選項卡在軟件圖形用戶界面中訪問。菜單欄如圖4 所示。每個應用程序都有一個設置功能和一個運行功能。圖形用戶界面(GUI)菜單欄顯示了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的應用功能。

圖4：菜單欄

“Form Tube”應用程序主要用于創建初始卷曲狀態下模型之間的運動副和接觸。“Roll-up Tube”主要用于將狹縫管卷繞到芯軸上。完成此任務時，將從系統中獲取卷繞扭矩數據。“Deploy Tube”主要用于展開仿真。仿真過程中，在芯軸底部施加恒定的力和平衡扭矩，用以仿真實際系統中施加的剪切力，該力可防止狹縫管從芯軸上不受控制地脫落。

（詳細介紹可于文末下載）