[發明專利]一種綜合力?電功能的多功能航天結構一體化設計方法

有效

• 申請號: 201610940433.4
• 申請日: 2016-11-01
• 公開（公告）號: CN106528976B
• 公開（公告）日: 2017-08-01
• 發明（設計）人: 李東旭;周志成;郝東;廖一寰;朱仕堯;范才智;吳軍;尹昌平;李德湛
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京中濟緯天專利代理有限公司11429
• 代理人: 陳立新

技術領域

本發明屬于航天器多功能結構技術領域，具體涉及一種綜合力-電功能的多功能航天結構一體化設計方法。

背景技術

傳統的航天器設計方法中，結構系統與電源系統是分別進行單獨設計，設計完畢后再到航天器平臺上進行組裝，這種設計方式給航天器帶來了較多的冗余重量和體積。

隨著航天技術的快速發展，現代航天器對結構輕量化和功能集成化提出了明確而迫切的需求。為了適應這種發展需求與趨勢，急需發展一種新的多功能航天結構一體化設計方法，將電源、數據處理、熱控或推進等獨立功能單元與結構系統進行一體化綜合設計，以實現結構、功能與材料的一體化成型，從而消除傳統結構大量冗余的重量和體積，提高航天器系統平臺的載荷/質量比、功能/結構比等，增大航天器內部的可利用空間，以攜帶更多的有效載荷，同時有效降低發射成本，延長航天器壽命，拓展航天器功能，提升航天器性能等。

截止目前，還沒有關于綜合力-電功能的多功能航天結構一體化設計方法的公開報道。

發明內容

針對現代航天器的結構輕量化和功能集成化需求，本發明提出一種綜合力-電功能的多功能航天結構一體化設計方法，通過將結構系統與電源系統進行一體化綜合設計，實現結構承載、減振、電源供/蓄電等多功能的融合，即力與電的有機融合，從而提高航天器的載荷/質量比和功能/結構比。

本發明一方面從結構系統所要求的承載能力及減振降噪能力出發，提出結構總體設計方案以及具體結構參數要求，并對電池組設計提出約束條件(包括電池組的結構形式、質量、剛度以及其它結構要求等)，將之作為電池組設計驗證與迭代修改的驗證標準；另一方面從電源系統所要求的電學性能出發，提出電池組總體設計方案以及單體電池設計方案，并對支撐結構提出約束條件(包括導熱性、穩固性、絕緣性以及其它熱機電要求等)，作為結構設計驗證與迭代修改的驗證標準；在設計過程中，通過迭代、匹配等方式協調結構與電池組之間的耦合效應及相互約束關系，以全面實現力-電功能一體化的設計目標。具體技術方案如下：

一種綜合力-電功能的多功能航天結構一體化設計方法，該方法包括三個部分，分別為：結構設計、電池組設計和約束匹配模塊設計；

所述結構設計的具體步驟為：

(S11)對多功能航天結構進行結構總體方案設計；從多功能航天結構的結構構型、幾何尺寸、安裝方式、質量分布方面進行設計；

(S12)對多功能航天結構進行結構參數設計；在所述結構總體方案設計的基礎上，對結構頻率、幾何參數、結構強度、結構剛度和材料特性參數進行設計；

(S13)提出對電池組設計的約束條件，作為電池組設計驗證與迭代修改的驗證標準；

所述電池組設計的具體步驟為：

(S21)對電池組總體方案進行設計，包括電池組電性能設計和電池組結構設計兩部分；所述電池組電性能設計是以電源系統的電性能指標為依據，從電池組的總電壓、總容量、串并方式、能量密度、充電體制、放電體制方面對電池組進行總體方案設計；所述電池組結構設計是從電池組的結構構型、包絡尺寸、內部布局、結構質量、支撐方式、絕緣措施和導熱策略方面進行設計；

(S22)對單體電池電芯進行設計，包括電芯電性能設計和電芯結構設計兩部分；所述電芯電性能設計在電池組電性能設計的基礎上，對單體電壓、單體內阻、單體容量、放電深度及循環壽命進行設計；所述電芯結構設計是在電池組結構設計的基礎上，對電芯的內部構造、材料選型、疊層方式和密封手段進行詳細設計；

(S23)提出對結構設計的約束條件，作為結構設計驗證與迭代修改的驗證標準；

所述約束匹配模塊設計的具體方法為：

根據結構設計與電池組設計兩者之間的關系，設計構型約束、外形約束、重量約束、頻率約束、穩固性能、絕緣性能和散熱性能約束限制條件，并依據步驟(S13)與步驟(S23)更新相關約束條件，用于檢驗結構設計和電池組設計是否滿足要求的標準；

對初步設計出來的多功能航天結構分別進行結構設計驗證、電池組設計驗證，并根據驗證結果對結構設計、電池組設計進行匹配、迭代和修改，直至滿足多功能航天器結構功能要求。

具體地，所述結構設計驗證的具體過程為：根據電池組設計提出的約束條件，逐條驗證結構設計的合理性；若所有約束條件均滿足，則完成結構設計；若不滿足約束條件，則對結構總體方案設計和結構參數設計進行迭代修改；在修改過程中，優先修改對結構整體設計影響較小的結構參數；只有當修改結構參數不能滿足約束條件時，才會對結構總體方案設計進行修改。