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用于空间探测的静电分析器轻量化设计与验证

杨墨欣 张爱兵 解世君

杨墨欣, 张爱兵, 解世君. 用于空间探测的静电分析器轻量化设计与验证[J]. 空间科学学报, 2023, 43(2): 330-339. doi: 10.11728/cjss2023.02.220303024
引用本文: 杨墨欣, 张爱兵, 解世君. 用于空间探测的静电分析器轻量化设计与验证[J]. 空间科学学报, 2023, 43(2): 330-339. doi: 10.11728/cjss2023.02.220303024
YANG Moxin, ZHANG Aibing, XIE Shijun. Lightweight Design and Verification of Electrostatic Analyzer for Space Exploration (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2023, 43(2): 330-339 doi: 10.11728/cjss2023.02.220303024
Citation: YANG Moxin, ZHANG Aibing, XIE Shijun. Lightweight Design and Verification of Electrostatic Analyzer for Space Exploration (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2023, 43(2): 330-339 doi: 10.11728/cjss2023.02.220303024

用于空间探测的静电分析器轻量化设计与验证

doi: 10.11728/cjss2023.02.220303024
基金项目: 中国科学院空间科学战略性先导科技专项(XDA1535010202,XDA15011200)
详细信息
    作者简介:

    杨墨欣:E-mail:yangmoxin18@mails.ucas.edu.cn

    通讯作者:

    张爱兵,E-mail:zhab@nssc.ac.cn

  • 中图分类号: P354

Lightweight Design and Verification of Electrostatic Analyzer for Space Exploration

  • 摘要: 针对空间探测载荷的轻量化需求,以空间等离子体探测的静电分析器为研究对象,进行了轻量化设计和验证。在材料及加工方式选择方面,充分利用增材制造这一新兴加工手段,打破传统轻量化设计时追求低密度材料的思路,对比多种材料及加工方式下设备重量及力学表现,确定铝合金为主要材料,3D打印为主要加工方式。在结构设计方面,基于3D打印加工的优势,在减小设备各部分结构厚度的同时,适当设置加强筋以解决薄壁在后处理时易产生形变的问题。采取上述方案设计的设备质量减少至1.2 kg,比使用镁合金及传统加工方式的设备质量(2.2 kg)下降45%。以典型航天任务的鉴定级力学试验条件作为输入,开展了设计模型的有限元仿真,完成实物加工装配以及力学试验,验证了该设计的抗力学性能。

     

  • 图  1  带顶盖的半球形静电分析器理论结构及等离子体运动轨迹

    Figure  1.  Theoretical structure and plasma motion trajectory diagram of hemispherical electrostatic analyzer with top cover

    图  2  用于材料对比的传统模型

    Figure  2.  Traditional model for material comparison

    图  3  模型剖面

    Figure  3.  Model section

    图  4  不同材料组合的模型质量对比

    Figure  4.  Comparison of model quality for different material combinations

    图  5  不同材料的模型前六阶模态频率对比

    Figure  5.  Comparison of the first six modal frequencies of the model for different materials

    图  6  T值随壁厚变化

    Figure  6.  Variation of T value with wall thickness

    图  7  最大应力随法兰厚度变化

    Figure  7.  Variation of maximum stress with flange thickness

    图  8  加强筋网格

    Figure  8.  Grid diagram of stiffener

    图  9  绘制网格

    Figure  9.  Schematic diagram of drawing grid

    图  10  轻量化模型

    Figure  10.  Lightweight model drawing

    图  11  轻量化模型剖面

    Figure  11.  Cross-section of lightweight model

    图  12  有限元网格划分

    Figure  12.  Diagram of finite element meshing

    图  13  模型前六阶固有频率振动模态

    Figure  13.  Schematic diagram of the first six natural frequency vibration modes of the model

    图  14  加速度(y方向)试验最大应力

    Figure  14.  Schematic diagram of the maximum stress in the acceleration (in y direction) test

    图  15  正弦振动(y方向)试验最大应力

    Figure  15.  Schematic diagram of maximum stress in sinusoidal vibration (in y direction) test

    图  16  随机振动(y方向)试验最大应力

    Figure  16.  Schematic diagram of maximum stress in random vibration (in y direction) test

    图  17  冲击(y 方向)试验最大应力

    Figure  17.  Schematic diagram of maximum stress in impact (in y direction) test

    图  18  试验件以 y方向为实验方向安装于试验台

    Figure  18.  Test piece is installed on the test bench with the y direction as the experimental direction

    表  1  加速度试验条件

    Table  1.   Acceleration test conditions

    加载方向xyz三向
    量级10 g
    加载时间达到最大加速度后保持2 min
    加载速率不大于0.5 g·s–1
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    表  2  正弦振动试验条件

    Table  2.   Sine vibration test conditions

    频率范围/Hz5~1515~100
    鉴定级11.03 mm(O-P)10g
    方向xyz三向xyz三向
    扫描速率2 oct·min–12 oct·min–1
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    表  3  随机振动试验条件

    Table  3.   Random vibration test conditions

    频率范围/Hz20~100100~600600~2000
    鉴定级+3 dB·oct–10.125 g 2·Hz–1–9 dB·oct–1
    总均方根加速度(grms)10.1310.1310.13
    实验方向xyz三向xyz三向xyz三向
    试验时间1 min/轴向1 min/轴向1 min/轴向
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    表  4  冲击响应谱试验条件

    Table  4.   Impulse response spectrum test conditions

    频率f / Hz100~10001000~15001500~20002000~4000
    冲击谱
    及速度
    +6 dB·oct–1900 g 900 g 900 g
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    表  5  选用材料参数及加工方式

    Table  5.   Selection material parameters and processing methods

    材料弹性模
    量/GPa
    泊松比密度/
    (g·cm–3)
    材料强
    度/MPa
    加工方式
    镁合金450.341.80160机加工
    铝合金700.342.70450增材制造(SLM)
    碳纤维T80011.80.301.601600湿法铺层成型
    高韧性树脂2.10.401.160增材制造(DLP)
    聚酰亚胺2.70.341.53115机加工
    有机硅胶1.20.481.3010注塑
    钢材2050.287.85900机加工
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    表  6  不同材料组合的最小裕度

    Table  6.   Minimum allowances for different material combinations

    镁合金+
    硅胶
    碳纤维+
    聚酰亚胺
    镁合金+
    聚酰亚胺
    铝合金+
    聚酰亚胺
    导体最小裕度38.68%4961.00%75.22%177.10%
    绝缘体
    最小裕度
    –48.02%304.90%264.81%237.57%
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    表  7  不同壁厚仿真结果数据

    Table  7.   Simulation results data of different wall thicknesses

    厚度/mm一阶模态/Hz最大应力/MPa质量/kg
    0.62373.58.47210.159
    0.8210010.6930.18221
    12046.110.7740.20458
    1.52145.210.140.26007
    22443.811.2340.31848
    2.52750.111.4450.36892
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    表  8  模态分析结果

    Table  8.   Modal analysis results

    阶次模态频率/Hz模态振型
    一阶531.68顶部往复摆动
    二阶539.28顶部往复摆动
    三阶619.24顶部上下摆动
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    表  9  加速度试验分析结果

    Table  9.   Analysis results of acceleration test

    工况导体最大应力/MPa铝合金
    (400 MPa)强度裕度/(%)
    绝缘体最大应力/MPa高韧性树脂
    (60 MPa)强度裕度/(%)
    x方向1.264315460.3903615270.43
    y方向3.6323109121.01545809.00
    z方向1.3263300590.3491817083.11
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    表  10  正弦振动试验分析结果

    Table  10.   Analysis results of sinusoidal vibration test

    工况导体最大应力/MPa铝合金
    (400 MPa)强度裕度/(%)
    绝缘体最大应力/MPa高韧性树脂
    (60 MPa)强度裕度/(%)
    x方向2.8398139850.2729221884.46
    y方向6.777358020.748327917.96
    z方向3.0565129870.2376825144.03
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    表  11  随机振动试验分析结果

    Table  11.   Random vibration test analysis results

    工况导体最大
    应力/MPa
    铝合金
    (400 MPa)强度
    裕度/(%)
    绝缘体最大
    应力/MPa
    高韧性树脂
    (60 MPa)强度
    裕度/(%)
    x 方向62.0035451.81293209.61
    y 方向124.882205.07561082.13
    z 方向62.045451.56293739.02
     比例因子值为3σ。
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    表  12  冲击响应谱试验分析结果

    Table  12.   Impact test analysis results

    工况导体最大
    应力/MPa
    铝合金
    (400 MPa)强度
    裕度/(%)
    绝缘体最大
    应力/MPa
    高韧性树脂
    (60 MPa)强度
    裕度/(%)
    x方向69.5584753.34841691.90
    y方向245.466339.62251.43
    z方向69.3354775.8245930.13
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-03-02
  • 修回日期:  2022-11-07
  • 网络出版日期:  2023-04-08

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