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飞天探月,逐梦苍穹!CAE仿真技术助力嫦娥六号蟾宫挖宝!

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北京时间5月3日17时27分,嫦娥六号探测器由长征五号遥八运载火箭在中国文昌航天发射场成功发射,准确进入地月转移轨道,发射任务取得圆满成功。嫦娥六号探测器开启世界首次月球背面采样返回之旅,预选着陆和采样区为月球背面南极-艾特肯盆地。
此次探月之旅,嫦娥六号将突破月球逆行轨道设计与控制、月背智能采样和月背起飞上升等关键技术,实施月球背面自动采样返回,同时开展着陆区科学探测和国际合作,这也将是人类首次开展月球背面取样。嫦娥六号预计采回2000克月背土壤样本,这将会重塑甚至颠覆人类对月球的认知。

嫦娥六号高约7.2米,重约8吨,是中国迄今最重的深空探测航天器,也是人类无人探月史上最复杂最重的探测器,主要由轨道器、着陆器、上升器、返回器四个部分组成。其中,轨道器主要负责往返月球期间的动力、能量、通信和交会对接需求等;返回器负责保管月壤采样样本,重返地球大气并安被全回收;着陆器负责携带上升器顺利降落月球,完成月面打钻采样、机械臂抓取采样和相关科研任务等;上升器负责携带收集的月壤样本,离开月球表面,与轨道器再次对接,将月壤转移至返回器中。

 
星辰大海的征途上,我们又迈出了坚实的一步。嫦娥六号,这艘承载着中华民族探索月球梦想的飞船,已成功发射并顺利进入预定轨道。在嫦娥六号的设计、测试、优化等各个环节,CAE仿真技术都发挥了至关重要的作用,确保了嫦娥六号的安全性和稳定性。
月球正面(左)和背面(右)对比图,它们的地理地貌情况截然不同(图片来源:NASA)
其中,最为重要的是,CAE仿真技术助力嫦娥六号月背挖土!嫦娥六号探测器预选着陆和采样区为月球背面南极-艾特肯盆地。南极-艾特肯盆地的地形图复杂程度远超月球其他地方,是太阳系第二大超级撞击坑,嫦娥六号将在该预选区域采集月表岩石和月壤样品。

为了保证钻头的使用寿命和状态,地面钻削可以使用冷却液降温,然而月面钻削却是干干的过程。如果是比较易碎的石头,钻取时间不会太长,可以一次性钻到底。但是,如果遇到坚硬的石头,问题就来了。钻削必须依靠一定的钻速,否则就无法实现破坏效果

针对目标地区月壤,嫦娥工程的设计师们通过CAE仿真技术,预测嫦娥六号在月球表面可能遇到的各种情况,如温度变化、重力影响、土壤特性等。为了降低实际任务的风险和成本,进行月壤钻削过程的CAE仿真模拟,主要步骤包括:

1) 建立钻削模型:包括钻头、钻杆、钻机等设备的物理模型,以及月壤的力学模型。

2) 设定钻削参数:包括钻头的转速、进给速度、钻头直径等。

3) 进行仿真计算:根据设定的参数,对月壤钻削过程进行数值模拟,计算钻头与月壤之间的相互作用力,以及钻削过程中钻头的磨损情况。

4) 分析仿真结果:根据仿真结果,评估月壤钻削过程的可行性,优化钻削参数。

 

此外,CAE仿真技术在嫦娥六号上的应用非常广泛,涉及到多个领域,如着陆器着陆缓冲机构展开过程稳定性分析、冲击动力学分析、动力学仿真分析、多探测器系统的力学分析等工作,攻克多项关键技术难题,研制起飞等过程的总体仿真平台软件。这些应用不仅提高了嫦娥六号的设计质量和效率,还为确保嫦娥六号圆满落月返回提供技术支撑。

在结构设计方面,CAE仿真技术被用于优化嫦娥六号的外形和内部组件布局。通过数值模拟和多物理场耦合分析,工程师们能够在设计阶段发现潜在的应力集中、疲劳和失效模式等问题,并采取相应的改进措施。此外,CAE技术还被用于评估嫦娥六号在各种极端环境下的结构强度和稳定性,确保其能在月球表面顺利完成任务。

在热控管理方面,CAE仿真技术发挥了重要作用。通过对嫦娥六号的热设计和散热系统进行数值模拟,工程师们能够预测和优化设备在各种工作条件下的温度分布。这有助于防止过热或低温导致的设备故障,确保嫦娥六号在月球表面的可靠运行。

在推进系统方面,CAE仿真技术被用于优化推进器的喷嘴设计和燃料选择。通过数值模拟,工程师们能够评估推进器的性能、燃烧效率和排放特性,从而实现推进系统的最佳设计。此外,CAE技术还被用于分析推进系统在复杂环境下(如月球大气、地外空间等)的工作性能,为嫦娥六号的成功着陆和起飞提供技术支持。

在优化设计阶段,CAE仿真技术通过模拟嫦娥六号在各种极端环境下的性能表现,帮助设计师们不断优化飞船的结构、材料和控制系统等方面,从而找到最优的设计方案。这不仅大大缩短了设计周期,降低了研发成本,而且提高了嫦娥六号的可靠性和安全性,还为未来的深空探索打下了坚实的基础
在试验测试阶段,CAE仿真技术模拟了嫦娥六号在发射、飞行、着陆等过程中的各种状态,为测试团队提供了丰富的测试数据和模拟场景。这使得测试团队能够提前发现潜在的问题并进行改进,确保了嫦娥六号在真实环境中的稳定运行。

让我们为嫦娥六号的成功发射喝彩,也为CAE仿真技术的卓越表现点赞!未来,随着科技的不断发展,CAE仿真技术将在更多领域发挥更大的作用,为人类探索宇宙的梦想贡献更多的力量。
一飞冲天!
逐梦穹苍!
祝贺中国航天!
我们的征途是星辰大海!
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来源:纵横CAE
疲劳燃烧航天通信材料热设计控制试验
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首次发布时间:2024-09-01
最近编辑:2月前
纵横CAE
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ANSYS Workbench常用载荷类型

正确施加载荷和约束边界条件是进行有限元分析的关键步骤。本篇文章将详细介绍ANSYS Workbench的主要载荷类型,如下图所示。ANSYS Workbench载荷类型1. Force:集中力Loads—>Force,作用在点、线、面上,均匀的分布在所有面上。可以矢量或分量的形式定义,输入数值大小,确定作用方向。2. Pressure:压力Loads—> Pressure,只能作用在面上,方向通常垂直于面,指向面内为正,反之为负。可以矢量或分量的形式定义,输入数值大小和方向。ANSYS Workbench中的压力3. Line Pressure:线压力Loads—> Line Pressure,以载荷密度的形式均布作用在边线上,输入数值大小和方向。只能用于三维模拟中。可以用三种方式定义:幅值和向量、幅值和分量、幅值和切向。4. Moment:力矩Loads—> Moment,施加在点、线、面上。对于实体,力矩只能施加到面上。施加在面上的力矩,力矩的旋转中心为所选面的几何形心。如果选择多个面,力矩均布在多个面上。遵守右手螺旋法则,可以矢量或分量的形式定义,输入数值大小,确定力矩方向。5. Reomote Force:远程载荷Loads—>Reomote Force,施加在点、线、面上,相当于给点、线、面施加一个等效力或等效力矩。可以用矢量或分量的形式定义,输入数值,确定方向和作用点(一般默认)。大质量法中将加速度激励乘以节点质量,得到惯性力,施加在节点上。6. Hydrostatic Pressure:静水压力Loads—>Hydrostatic Pressure,在面上施加一个线性变化的压力,模拟结构上的流体载荷。可以分量或矢量的形式定义,输入数值,确定方向。另外,施加静水压力,需要设置流体密度、重力加速度和流体液面位置。静水压力设置界面7. Acceleration:加速度Inertial—> Acceleration,施加在整个模型上。可以用矢量或分量的形式表示,输入数值,确定方向。惯性载荷,必须设置材料密度。加速度经常用于计算过载,动态静强度分析时,利用达朗贝尔法将动载荷变成静载荷,也就是施加一个和加速度方向相反的惯性力。注意:加速度施加在系统上,惯性将阻碍系统的速度变化,因此惯性力的方向与加速度方向相反。8. StandardEarth Gravity:重力加速度Inertial—> Standard Earth Gravity,施加在整个模型上,方向定义为整体或局部坐标系的一个坐标轴方向。惯性载荷,必须设置材料密度,物体运动方向与重力加速度的方向相同。9. RotationalVelocity:角速度Inertial—> Rotational Velocity,作用在旋转轴、圆孔、圆柱的表面。惯性载荷,必须设置材料密度。整个模型以给定的速率绕轴转动。以分量或矢量的形式定义,输入数值,确定方向。10. Thermal Condition:热条件Loads—>Thermal Condition,可以施加在点、线、面、体上,插入温度边界条件,前提是知道系统的温度分布情况。使用热条件进行热固耦合分析时,需确认模型材料是否定义了热膨胀系数。11. Bolt Pretension:螺栓预紧力Loads—> Bolt Pretension,选择螺栓的圆柱面、单个体或多个体上,设置Define By为Load和预紧力Preload。给圆柱形截面上施加预紧力以模拟螺栓连接,需要指定一个坐标系,预紧力作用在该坐标系的原点,且方向沿轴向收缩。求解时,自动生成两个载荷步。螺栓预紧力设置界面12. Bearing Load:轴承载荷Loads—>Bearing Load,作用在圆柱内表面或外表面,用于模拟轴与孔接触面上存在法向(径向)压力的作用。以矢量或分量的形式定义,输入数值大小,确定载荷方向。其径向分量将根据投影面积来分布压力载荷,不允许存在轴向分量。每个圆柱面上只能施加一个轴承载荷。注意:若圆柱面被分割为多个面,施加轴承载荷时要同时选中所有面。来源:纵横CAE

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