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海克斯康模擬仿真軟件助力空中客車(chē)衛(wèi)星太陽(yáng)能電池的振動(dòng)聲學(xué)響應(yīng)預(yù)測(cè)

面臨的挑戰(zhàn)：

在離地升空和飛行期間，航天器運(yùn)載火箭會(huì)經(jīng)受多種振動(dòng)聲學(xué)問(wèn)題的挑戰(zhàn)。為了使火箭達(dá)到達(dá)到更高的推力和更遠(yuǎn)的里程，推進(jìn)動(dòng)力越來(lái)越強(qiáng)勁，也相應(yīng)產(chǎn)生了更加強(qiáng)烈的噪聲激勵(lì)源。

這種強(qiáng)烈的聲負(fù)載會(huì)激勵(lì)運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)以及嵌入內(nèi)部的有效載荷和設(shè)備。因此，在所有運(yùn)載火箭部件的設(shè)計(jì)過(guò)程中，一定要對(duì)振動(dòng)聲學(xué)行為進(jìn)行設(shè)計(jì)及管理，這一點(diǎn)對(duì)確保航天器部件的安全性至關(guān)重要。

過(guò)去五十年間，空中客車(chē)防務(wù)與航天公司一直在提供可靠的系統(tǒng)，從電子元件到完整的無(wú)線(xiàn)電通訊轉(zhuǎn)播平臺(tái)、科學(xué)衛(wèi)星乃至載人航天器。這些產(chǎn)品系列的關(guān)鍵通用部件是太陽(yáng)能電池帆板。太陽(yáng)能電池板負(fù)責(zé)供電，以便衛(wèi)星傳感器、電子設(shè)備及推進(jìn)系統(tǒng)能夠正常工作。

鑒于運(yùn)載火箭整流罩的獨(dú)特約束條件，在發(fā)射期間太陽(yáng)能電池板被收起來(lái)，并會(huì)在之后的各種任務(wù)階段展開(kāi)。為減輕重量，不僅要在航天器上盡量使用最輕的太陽(yáng)能電池，還必須盡量增大太陽(yáng)能電池板表面積與重量之比，從而為航天器的運(yùn)行提供支持。

這些設(shè)計(jì)約束條件促使工程師設(shè)計(jì)出能夠承載太陽(yáng)能電池的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，通常采用由電池覆蓋的夾層結(jié)構(gòu)，以滿(mǎn)足具體的任務(wù)要求。

在離地升空期間，這些輕質(zhì)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)會(huì)承受強(qiáng)烈的載荷，因此工程師需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證，以確保它們能夠承受此類(lèi)振動(dòng)，而且不會(huì)出現(xiàn)有可能阻礙太陽(yáng)電池板正確展開(kāi)的殘留缺陷。

過(guò)去，通常是在混響室中對(duì)太陽(yáng)能電池設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)行為進(jìn)行實(shí)物試驗(yàn)，用揚(yáng)聲器再現(xiàn)強(qiáng)烈的離地升空聲學(xué)環(huán)境，同時(shí)測(cè)量作用在電池上的振動(dòng)級(jí)和應(yīng)變。在多數(shù)情況下，由于制作樣機(jī)的成本所限，工程師無(wú)法進(jìn)行設(shè)計(jì)比較，因此第一個(gè)設(shè)計(jì)往往采用保守的設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)時(shí)的難點(diǎn)在于，在優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以減輕重量的同時(shí)，還要確保結(jié)構(gòu)的完整性。

來(lái)自海克斯康的解決方案：

MSC 軟件解決方案

空中客車(chē)防務(wù)與航天公司的工程師通過(guò)使用 MSC Nastran 和 Actran 的方法來(lái)預(yù)測(cè)太陽(yáng)能電池板在離地升空時(shí)的振動(dòng)聲學(xué)響應(yīng)。用 MSC Nastran 計(jì)算太陽(yáng)能電池板的模態(tài)頻率和振型；同時(shí)用 Actran 對(duì)復(fù)雜的聲學(xué)耗散和傳播進(jìn)行建模以豐富結(jié)構(gòu)模型，并對(duì)作用在折疊起來(lái)的太陽(yáng)能電池帆板上的聲學(xué)載荷環(huán)境進(jìn)行建模。

電池帆板之間的空氣層建模

太陽(yáng)能電池帆板在折疊時(shí)，各層之間會(huì)形成薄空氣層。對(duì)這些空氣層進(jìn)行建模對(duì)于確保能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)最終振動(dòng)有著極其重要的意義。實(shí)際上，這些空氣層起到了減震器的作用，顯著影響了各個(gè)電池板的振動(dòng)。

此外，由于這些空氣層的尺寸很小（幾毫米），因此會(huì)發(fā)生粘性熱耗散，從而影響聲波的傳播。Actran 中包含了多種高級(jí)數(shù)值建模技術(shù)，可以對(duì)這些影響進(jìn)行建模并準(zhǔn)確預(yù)測(cè)最終響應(yīng)。

蜂窩結(jié)構(gòu)對(duì)振動(dòng)聲學(xué)響應(yīng)的影響

通常采用夾層結(jié)構(gòu)來(lái)減輕重量、增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并以碳纖維增強(qiáng)塑料面板覆蓋鋁蜂窩芯結(jié)構(gòu)。由于 MSC Nastran 的結(jié)構(gòu)建模能力可準(zhǔn)確地表述此類(lèi)復(fù)雜的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，因此采用 Actran 對(duì)覆蓋有碳纖維面板的蜂窩結(jié)構(gòu)對(duì)太陽(yáng)能電池板結(jié)構(gòu)周?chē)穆暡▊鞑ニa(chǎn)生的影響進(jìn)行建模。Actran的多孔建模能力可以模擬各向異性的聲學(xué)傳播以及特定的消散特性，這主要影響太陽(yáng)能電池板在低頻區(qū)的振動(dòng)聲學(xué)響應(yīng)。

真實(shí)環(huán)境建模

安裝時(shí)將折疊的太陽(yáng)能電池疊片組連接到衛(wèi)星上。衛(wèi)星本體會(huì)在太陽(yáng)能電池疊片組附近形成一個(gè)反射面，衛(wèi)星同時(shí)也形成一個(gè)遮蔽墻，防止聲波直接影響太陽(yáng)能電池疊片組的零部件。在典型的測(cè)量過(guò)程中，可以使用衛(wèi)星側(cè)壁模擬器（SSS）來(lái)支承太陽(yáng)能電池疊片組，以再現(xiàn)太陽(yáng)能電池將要面臨的環(huán)境。數(shù)值模型中也包括了衛(wèi)星側(cè)壁模擬器，后者以太陽(yáng)能疊片組附近的全剛性壁進(jìn)行建模。

最后，將平面波疊加所產(chǎn)生的擴(kuò)散聲場(chǎng)（DSF）激勵(lì)應(yīng)用到模型上，用以表示聲學(xué)環(huán)境。

不僅 Actran 的結(jié)果與整個(gè)相關(guān)頻率范圍內(nèi)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合，而且還能通過(guò) Actran 后處理的輸出云圖來(lái)確定電池板上最大加速度和最大應(yīng)變的位置。

客戶(hù)簡(jiǎn)介：

關(guān)于空中客車(chē)防務(wù)與航天公司

空中客車(chē)公司是航空、航天以及相關(guān)服務(wù)的全球領(lǐng)導(dǎo)者，2017 年的綜合收入為 668 億歐元。空中客車(chē)公司可提供從 100 到 600 個(gè)以上座位的最全面的客機(jī)機(jī)型。空中客車(chē)公司也是歐洲的領(lǐng)先供應(yīng)商，可提供加油機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)，運(yùn)輸機(jī)以及各種任務(wù)飛機(jī)，是全球領(lǐng)先的航天公司之一。在直升機(jī)領(lǐng)域，空中客車(chē)公司可在全球范圍內(nèi)提供最高效的民用和軍用旋翼機(jī)解決方案。