案例分享 | Actran 助力卫星太阳能电池的振动声学响应预测

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在离地升空和飞行期间，航天器运载火箭会经受多种振动声学问题的挑战。为了使火箭达到更高的推力和更远的里程，推进动力越来越强劲，也相应产生了更加强烈的噪声激励源。

这种强烈的声负载会激励运载火箭结构以及嵌入内部的有效载荷和设备。因此，在所有运载火箭部件的设计过程中，一定要对振动声学行为进行设计及管理，这一点对确保航天器部件的安全性至关重要。

过去五十年间，空中客车防务与航天公司一直在提供可靠的系统，从电子元件到完整的无线电通讯转播平台、科学卫星乃至载人航天器。这些产品系列的关键通用部件是太阳能电池帆板。太阳能电池板负责供电，以便卫星传感器、电子设备及推进系统能够正常工作。

太阳能电池板在发射器整流罩中在发射阶段用独特的约束折叠起来，此后在各种任务阶段被展开。为了减轻重量，太阳能电池组使用尽可能轻的材料，而太阳能电池板的面积必须尽可能大以保证电力供应。

在离地升空期间，这些轻质的关键结构会承受强烈的载荷，因此工程师需要对结构进行验证，以确保它们能够承受此类振动，而且不会出现有可能阻碍太阳电池板正确展开的残留缺陷。

过去，通常是在混响室中对太阳能电池设计的结构行为进行实物试验，用扬声器再现强烈的离地升空声学环境，同时测量在电池上的振动级和应变。在多数情况下，由于制作样机的成本所限，工程师无法进行设计比较，因此初版往往采用保守设计。设计时的难点在于，在优化结构设计以减轻重量的同时，还要确保结构的完整性。

MSC 软件解决方案

空中客车防务与航天公司的工程师通过使用 MSC Nastran 和 Actran 的方法来预测太阳能电池板在离地升空时的振动声学响应。用 MSC Nastran 计算太阳能电池板的模态频率和振型；同时用 Actran 对复杂的声学耗散和传播进行建模以丰富结构模型，并对作用在折叠起来的太阳能电池帆板上的声学载荷环境进行建模。

电池帆板之间的空气层建模

太阳能电池帆板在折叠时，各层之间会形成薄空气层。对这些空气层进行建模对于确保能够准确预测最终振动有着极其重要的意义。实际上，这些空气层起到了减震器的作用，显著影响了各个电池板的振动。

此外，由于这些空气层的尺寸很小（几毫米），因此会发生粘热耗散，从而影响声波的传播。Actran 中包含了多种高级数值建模技术，可以对这些影响进行建模并准确预测最终响应。

图2. 太阳能电池板振动谱，对空气夹层的影响

图3. 太阳能电池板振动频谱，对电池板层间空气粘性的影响进行建模

图4. 太阳能电池板振动频谱，对电池板蜂窝结构的影响进行建模

蜂窝结构对振动声学响应的影响

通常采用夹层结构来减轻重量、增加结构强度，并以碳纤维增强塑料面板覆盖铝蜂窝芯结构。由于 MSC Nastran 的结构建模能力可准确地表述此类复杂的复合材料结构，因此采用 Actran 对覆盖有碳纤维面板的蜂窝结构对太阳能电池板结构周围的声波传播所产生的影响进行建模。Actran对孔的建模能力可以模拟各向异性的声学传播以及特定的消散特性，这主要影响太阳能电池板在低频区的振动声学响应。