仿真案例｜多体动力学软件仿真柔性可卷太阳能电池阵列的展开过程

翻译：上海安世亚太

前言

在未来，执行外行星任务将耗费巨大电能，而这些电能将由300千瓦级的大型柔性可卷太阳能电池阵列提供。在物理测试极度受限的外太空条件下，大型可展太阳能电池阵列的卷曲、展开相关性能的非线性动力学分析与仿真，对于辅助这些阵列的研发具有极其重要的意义。多体动力学软件（RECURDYN软件）为柔性航天器结构展开过程仿真提供了一个理想的研发平台。

模型综述

一个典型的狭缝可卷支撑管如下图1所示。这些支撑管由金属或复合材料制成。对于航天器应用，发射前的卷绕结构中，支撑管材料被卷在一个圆柱轴上。展开过程中，材料展开，应变能促使形成管状结构。图1显示了用于航天器应用的狭缝可卷支撑管。当狭缝管展开时，应变能使支撑管变成管状结构。图片由ROCCOR公司提供。

图1 支撑管材料在展开过程中形成的顺序图

为了仿真狭缝支撑管的展开过程，必须执行的功能是：

1）狭缝管围绕位于太阳能电池阵列支撑管末端的芯轴成型

2）狭缝管卷在芯轴上以仿真卷绕过程

3）狭缝管必须展开成合适的形状

图2：在芯轴上卷绕狭缝管的顺序

一旦支撑管在芯轴上成型，就开始进行卷绕仿真，支撑管围绕芯轴平稳卷起，直到形成卷绕装配结构。约束和施加的载荷用于控制卷绕运动，并保持支撑管上所需的张力。该过程中，仿真准确地模拟了狭缝管卷绕支撑管的整个过程，结果包括压扁狭缝管引起的预应力，它将为太阳能电池阵列结果展开仿真提供初始配置和条件。在展开仿真过程中，正确定义阻尼机制所提供的约束力对于正确控制展开是非常重要的。

全太阳能电池阵列模型扩展

在上述单个狭缝管的仿真基础上，研究了全太阳能电池阵列多体仿真，模型包含图3所示的实体，包括芯轴、狭缝管卷绕支撑管、光伏覆盖层和架体。芯轴和架体被视为刚体，而狭缝管和覆盖层被视为柔性体。同时为简化模型并自动化繁琐和重复的任务，在多体动力学软件中开发了一个垂直应用程序，用于将狭缝管成型到芯轴上、狭缝管卷绕过程以及展开过程仿真。

图3：完整太阳能电池阵列多体模型

这些功能可从主菜单栏的选项卡在软件图形用户界面中访问。菜单栏如图4 所示。每个应用程序都有一个设置功能和一个运行功能。图形用户界面(GUI)菜单栏显示了用于将狭缝管成型到芯轴上、狭缝管卷绕过程以及展开过程仿真的应用功能。

图4：菜单栏

“Form Tube”应用程序主要用于创建初始卷曲状态下模型之间的运动副和接触。“Roll-up Tube”主要用于将狭缝管卷绕到芯轴上。完成此任务时，将从系统中获取卷绕扭矩数据。“Deploy Tube”主要用于展开仿真。仿真过程中，在芯轴底部施加恒定的力和平衡扭矩，用以仿真实际系统中施加的剪切力，该力可防止狭缝管从芯轴上不受控制地脱落。

（详细介绍可于文末下载）

太阳能电池阵列展开仿真结果

展开仿真显示了材料从芯轴上展开并恢复到其半圆形狭缝管横截面时，狭缝管的展开和应力释放。图5显示了展开期间和展开之后支撑管的应力释放云图。第一幅图显示了展开过程中的应力分布，而第二幅图显示了狭缝管展开结束时的应力分布。

图5：展开期间和结束时狭缝管中的应力

展开期间芯轴位置的时间历程图以及位于芯轴中心的旋转弹簧施加的扭矩时间历程，如图6所示。弹簧充当旋转阻尼器，阻尼随芯轴的旋转速度线性变化。

图6：展开期间芯轴位置和阻尼扭矩的时间历程

太空中的柔性可卷太阳能电池阵列及仿真动画如下所示：

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可卷太阳能电池阵列的展开过程仿真