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海克斯康模擬仿真軟件助力空中客車衛星太陽能電池的振動聲學響應預測

面臨的挑戰：

在離(li)地升(sheng)空和飛行期(qi)間，航天器(qi)運載火箭會經(jing)受多種振動聲學問題的(de)(de)挑戰(zhan)。為了使(shi)火箭達(da)到達(da)到更(geng)高的(de)(de)推力和更(geng)遠(yuan)的(de)(de)里程，推進動力越來越強勁(jing)，也相應產(chan)生了更(geng)加(jia)強烈的(de)(de)噪聲激勵源(yuan)。

這種強烈(lie)的聲(sheng)負載(zai)會(hui)激勵運(yun)載(zai)火(huo)箭(jian)結構以及嵌入內部(bu)的有(you)效載(zai)荷和設(she)備。因此，在所有(you)運(yun)載(zai)火(huo)箭(jian)部(bu)件(jian)的設(she)計過程(cheng)中，一(yi)定要(yao)對振動(dong)聲(sheng)學行為進行設(she)計及管理，這一(yi)點對確保航天器部(bu)件(jian)的安全(quan)性至關重要(yao)。

過(guo)去五十年間，空中客車防務與航天公司一直在提供(gong)可靠的(de)(de)系(xi)統，從(cong)電子元件(jian)到完整的(de)(de)無線電通訊轉(zhuan)播平臺、科(ke)學衛星乃至(zhi)載(zai)人航天器(qi)。這些產(chan)品系(xi)列的(de)(de)關鍵通用(yong)部件(jian)是太陽能(neng)電池帆板。太陽能(neng)電池板負責(ze)供(gong)電，以便衛星傳(chuan)感(gan)器(qi)、電子設(she)備及推進系(xi)統能(neng)夠正常工作(zuo)。

鑒于運載(zai)火箭整流(liu)罩的(de)獨特約束(shu)條件，在(zai)(zai)發射期間太陽能電池(chi)板被(bei)收起來，并會在(zai)(zai)之(zhi)后的(de)各(ge)種(zhong)任務階段展(zhan)開(kai)。為減輕重(zhong)(zhong)量，不僅要在(zai)(zai)航天器(qi)上盡量使用最輕的(de)太陽能電池(chi)，還必(bi)須盡量增大太陽能電池(chi)板表面積(ji)與重(zhong)(zhong)量之(zhi)比(bi)，從而(er)為航天器(qi)的(de)運行提供支持。

這些設(she)計約束條件(jian)促使工(gong)程(cheng)師設(she)計出能夠承載太陽能電(dian)(dian)池的復(fu)雜結構(gou)，通常采用(yong)由電(dian)(dian)池覆蓋的夾層結構(gou)，以(yi)滿足(zu)具體(ti)的任務(wu)要求。

在(zai)離(li)地(di)升空期(qi)間，這些輕質(zhi)的關鍵結(jie)構會(hui)承受(shou)強烈的載(zai)荷，因此(ci)工(gong)程師(shi)需要對結(jie)構進行驗證，以確保它們(men)能夠(gou)承受(shou)此(ci)類振動(dong)，而且(qie)不會(hui)出現有可能阻(zu)礙太(tai)陽電池板正(zheng)確展(zhan)開的殘留缺陷(xian)。

過(guo)去，通常是在(zai)混響室中對太陽能電池(chi)設(she)(she)計的(de)(de)結(jie)(jie)構(gou)(gou)行為進(jin)行實物試驗，用(yong)(yong)揚(yang)聲器再現強烈的(de)(de)離地升空聲學環境，同時(shi)測量作用(yong)(yong)在(zai)電池(chi)上的(de)(de)振動級和應(ying)變。在(zai)多數(shu)情況下，由于制作樣(yang)機的(de)(de)成本(ben)所限(xian)，工程師無法進(jin)行設(she)(she)計比較，因此第一個設(she)(she)計往往采用(yong)(yong)保守的(de)(de)設(she)(she)計方(fang)法。設(she)(she)計時(shi)的(de)(de)難點(dian)在(zai)于，在(zai)優化結(jie)(jie)構(gou)(gou)設(she)(she)計以減(jian)輕重(zhong)量的(de)(de)同時(shi)，還要確(que)保結(jie)(jie)構(gou)(gou)的(de)(de)完整性。

來自海克斯康的解決方案：

MSC 軟(ruan)件解(jie)決方(fang)案

空(kong)(kong)中客車防務與航天公司的(de)(de)(de)工(gong)程師通過使(shi)用(yong)(yong) MSC Nastran 和(he) Actran 的(de)(de)(de)方(fang)法(fa)來(lai)預(yu)測(ce)太(tai)陽(yang)能電(dian)池(chi)板在(zai)離地(di)升空(kong)(kong)時的(de)(de)(de)振動聲學(xue)響應。用(yong)(yong) MSC Nastran 計算太(tai)陽(yang)能電(dian)池(chi)板的(de)(de)(de)模(mo)(mo)態頻率和(he)振型；同時用(yong)(yong) Actran 對復雜的(de)(de)(de)聲學(xue)耗散和(he)傳播進行(xing)建模(mo)(mo)以豐富結構(gou)模(mo)(mo)型，并對作(zuo)用(yong)(yong)在(zai)折疊起來(lai)的(de)(de)(de)太(tai)陽(yang)能電(dian)池(chi)帆板上的(de)(de)(de)聲學(xue)載(zai)荷環(huan)境(jing)進行(xing)建模(mo)(mo)。

電池帆板之間(jian)的空氣(qi)層建模

太陽能(neng)電(dian)池帆板在(zai)折疊時，各(ge)層(ceng)之間會形(xing)成薄空(kong)(kong)氣層(ceng)。對這些(xie)空(kong)(kong)氣層(ceng)進(jin)行建模對于確(que)保能(neng)夠準確(que)預(yu)測(ce)最終振動有著極其(qi)重(zhong)要的(de)意義。實(shi)際上，這些(xie)空(kong)(kong)氣層(ceng)起到(dao)了減(jian)震(zhen)器(qi)的(de)作(zuo)用，顯著影(ying)響(xiang)了各(ge)個電(dian)池板的(de)振動。

此外，由于這些空氣層的尺寸很小(xiao)（幾毫米(mi)），因此會發生粘性熱(re)耗散(san)，從而(er)影響(xiang)聲波的傳播。Actran 中包含了多種高級數值建(jian)模技術，可(ke)以對(dui)這些影響(xiang)進行建(jian)模并準確預測最終響(xiang)應。

蜂(feng)窩結構對(dui)振動聲學響應(ying)的影響

通常采用(yong)夾層(ceng)結(jie)(jie)構來(lai)減輕重量、增加結(jie)(jie)構強(qiang)度，并(bing)以碳纖維增強(qiang)塑料面板覆蓋(gai)鋁蜂(feng)窩芯結(jie)(jie)構。由于 MSC Nastran 的(de)結(jie)(jie)構建(jian)模(mo)(mo)能力(li)可準確地表述此(ci)類復雜的(de)復合(he)材(cai)料結(jie)(jie)構，因(yin)此(ci)采用(yong) Actran 對覆蓋(gai)有碳纖維面板的(de)蜂(feng)窩結(jie)(jie)構對太陽(yang)能電(dian)池(chi)(chi)板結(jie)(jie)構周圍的(de)聲波傳(chuan)播所產(chan)生的(de)影響(xiang)進行建(jian)模(mo)(mo)。Actran的(de)多(duo)孔建(jian)模(mo)(mo)能力(li)可以模(mo)(mo)擬各向異性(xing)的(de)聲學(xue)傳(chuan)播以及特定的(de)消散特性(xing)，這(zhe)主要影響(xiang)太陽(yang)能電(dian)池(chi)(chi)板在低頻區的(de)振動聲學(xue)響(xiang)應。

真實(shi)環境建模

安(an)裝時(shi)將折(zhe)疊的(de)太(tai)陽能(neng)電(dian)池(chi)疊片組(zu)(zu)連接到衛(wei)(wei)星上。衛(wei)(wei)星本體會在太(tai)陽能(neng)電(dian)池(chi)疊片組(zu)(zu)附近形成一(yi)個反射面，衛(wei)(wei)星同(tong)時(shi)也形成一(yi)個遮蔽(bi)墻，防止聲波直接影響太(tai)陽能(neng)電(dian)池(chi)疊片組(zu)(zu)的(de)零部件。在典(dian)型的(de)測量過程(cheng)中(zhong)，可以(yi)使用衛(wei)(wei)星側壁(bi)模(mo)擬器(qi)（SSS）來(lai)支承太(tai)陽能(neng)電(dian)池(chi)疊片組(zu)(zu)，以(yi)再(zai)現太(tai)陽能(neng)電(dian)池(chi)將要(yao)面臨的(de)環境。數值(zhi)模(mo)型中(zhong)也包括(kuo)了衛(wei)(wei)星側壁(bi)模(mo)擬器(qi)，后者以(yi)太(tai)陽能(neng)疊片組(zu)(zu)附近的(de)全剛(gang)性壁(bi)進行建模(mo)。

最(zui)后，將平面波疊加所產生的擴散聲場（DSF）激勵應用到(dao)模(mo)型上，用以表示聲學環境。

不僅 Actran 的結果與(yu)整個(ge)相(xiang)關頻(pin)率范圍內的實驗結果吻合(he)，而且(qie)還能(neng)通過 Actran 后(hou)處(chu)理的輸出云圖來確(que)定電池板上(shang)最(zui)大加(jia)速(su)度(du)和最(zui)大應變的位(wei)置。

客戶簡介：

關于空中客車防務與航天(tian)公司(si)

空(kong)中(zhong)客(ke)(ke)車(che)公(gong)(gong)司(si)是航空(kong)、航天以(yi)(yi)及相關服務的(de)全球領(ling)(ling)導者，2017 年的(de)綜合收入為 668 億(yi)歐元(yuan)。空(kong)中(zhong)客(ke)(ke)車(che)公(gong)(gong)司(si)可(ke)提(ti)供(gong)從 100 到 600 個以(yi)(yi)上座位的(de)最(zui)(zui)全面的(de)客(ke)(ke)機(ji)機(ji)型。空(kong)中(zhong)客(ke)(ke)車(che)公(gong)(gong)司(si)也是歐洲的(de)領(ling)(ling)先供(gong)應商，可(ke)提(ti)供(gong)加油機(ji)、戰斗(dou)機(ji)，運輸機(ji)以(yi)(yi)及各(ge)種任務飛機(ji)，是全球領(ling)(ling)先的(de)航天公(gong)(gong)司(si)之一。在直升機(ji)領(ling)(ling)域，空(kong)中(zhong)客(ke)(ke)車(che)公(gong)(gong)司(si)可(ke)在全球范圍內提(ti)供(gong)最(zui)(zui)高效的(de)民用(yong)和軍用(yong)旋翼機(ji)解決方案。