一种综合力‑电功能的多功能航天结构一体化设计方法技术

本发明专利技术属于航天器多功能结构技术领域，具体涉及一种综合力‑电功能的多功能航天结构一体化设计方法，该方法包括三个部分，分别为：结构设计、电池组设计和约束匹配模块设计；所述结构设计包括对多功能航天结构进行结构总体方案设计和结构参数设计，并提出对电池组设计的约束条件；所述电池组设计包括对电池组总体方案进行设计和对单体电池电芯进行设计，并提出对结构设计的约束条件；所述约束匹配模块设计用于检验结构设计和电池组设计是否满足要求的标准；对初步设计出来的多功能航天结构分别进行结构设计验证、电池组设计验证，并根据验证结果对结构设计、电池组设计进行匹配、迭代和修改，直至满足多功能航天器结构功能要求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于航天器多功能结构
，具体涉及一种综合力-电功能的多功能航天结构一体化设计方法。
技术介绍
传统的航天器设计方法中，结构系统与电源系统是分别进行单独设计，设计完毕后再到航天器平台上进行组装，这种设计方式给航天器带来了较多的冗余重量和体积。随着航天技术的快速发展，现代航天器对结构轻量化和功能集成化提出了明确而迫切的需求。为了适应这种发展需求与趋势，急需发展一种新的多功能航天结构一体化设计方法，将电源、数据处理、热控或推进等独立功能单元与结构系统进行一体化综合设计，以实现结构、功能与材料的一体化成型，从而消除传统结构大量冗余的重量和体积，提高航天器系统平台的载荷/质量比、功能/结构比等，增大航天器内部的可利用空间，以携带更多的有效载荷，同时有效降低发射成本，延长航天器寿命，拓展航天器功能，提升航天器性能等。截止目前，还没有关于综合力-电功能的多功能航天结构一体化设计方法的公开报道。
技术实现思路
针对现代航天器的结构轻量化和功能集成化需求，本专利技术提出一种综合力-电功能的多功能航天结构一体化设计方法，通过将结构系统与电源系统进行一体化综合设计，实现结构承载、减振、电源供/蓄电等多功能的融合，即力与电的有机融合，从而提高航天器的载荷/质量比和功能/结构比。本专利技术一方面从结构系统所要求的承载能力及减振降噪能力出发，提出结构总体设计方案以及具体结构参数要求，并对电池组设计提出约束条件(包括电池组的结构形式、质量、刚度以及其它结构要求等)，将之作为电池组设计验证与迭代修改的验证标准；另一方面从电源系统所要求的电学性能出发，提出电池组总体设计方案以及单体电池设计方案，并对支撑结构提出约束条件(包括导热性、稳固性、绝缘性以及其它热机电要求等)，作为结构设计验证与迭代修改的验证标准；在设计过程中，通过迭代、匹配等方式协调结构与电池组之间的耦合效应及相互约束关系，以全面实现力-电功能一体化的设计目标。具体技术方案如下：一种综合力-电功能的多功能航天结构一体化设计方法，该方法包括三个部分，分别为：结构设计、电池组设计和约束匹配模块设计；所述结构设计的具体步骤为：(S11)对多功能航天结构进行结构总体方案设计；从多功能航天结构的结构构型、几何尺寸、安装方式、质量分布方面进行设计；(S12)对多功能航天结构进行结构参数设计；在所述结构总体方案设计的基础上，对结构频率、几何参数、结构强度、结构刚度和材料特性参数进行设计；(S13)提出对电池组设计的约束条件，作为电池组设计验证与迭代修改的验证标准；所述电池组设计的具体步骤为：(S21)对电池组总体方案进行设计，包括电池组电性能设计和电池组结构设计两部分；所述电池组电性能设计是以电源系统的电性能指标为依据，从电池组的总电压、总容量、串并方式、能量密度、充电体制、放电体制方面对电池组进行总体方案设计；所述电池组结构设计是从电池组的结构构型、包络尺寸、内部布局、结构质量、支撑方式、绝缘措施和导热策略方面进行设计；(S22)对单体电池电芯进行设计，包括电芯电性能设计和电芯结构设计两部分；所述电芯电性能设计在电池组电性能设计的基础上，对单体电压、单体内阻、单体容量、放电深度及循环寿命进行设计；所述电芯结构设计是在电池组结构设计的基础上，对电芯的内部构造、材料选型、叠层方式和密封手段进行详细设计；(S23)提出对结构设计的约束条件，作为结构设计验证与迭代修改的验证标准；所述约束匹配模块设计的具体方法为：根据结构与电池组两者之间的关系，设计构型约束、外形约束、重量约束、频率约束、稳固性能、绝缘性能和散热性能约束等限制条件，并依据步骤(S13)与步骤(S23)更新相关约束条件，用于检验结构设计和电池组设计是否满足要求的标准；对初步设计出来的多功能航天结构分别进行结构设计验证、电池组设计验证，并根据验证结果对结构设计、电池组设计进行匹配、迭代和修改，直至满足多功能航天器结构功能要求。具体地，所述结构设计验证的具体过程为：根据电池组设计提出的约束条件，逐条验证结构设计的合理性；若所有约束条件均满足，则完成结构设计；若不满足约束条件，则对结构总体方案设计和结构参数设计进行迭代修改；在修改过程中，优先修改对结构整体设计影响较小的结构参数；只有当修改结构参数不能满足约束条件时，才会对结构总体方案设计进行修改。具体地，所述电池组设计验证的具体过程为：根据结构设计提出的约束条件，逐条验证电池组设计的合理性；若所有验证条件均满足，则确定电池组设计；若不满足验证条件，则对电池组总体方案设计和单体电池电芯设计进行修改；在修改过程中，优先修改单体电池电芯设计；在单体电池电芯设计修改中按照先局部参数，后材料选型，再到内部构造的优先级顺序依次修改；当修改单体电池电芯设计不能满足约束条件时，才对电池组总体方案设计进行修改。具体地，所述结构设计、电池组设计的迭代和修改均采用递进迭代方式进行设计修改；首先通过较大修改步长的迭代计算，确定满足约束条件的初步改进设计方案；在此基础上，缩小修改步长，在参数取值附近搜索最优的改进设计方案。具体地，还包括对多功能航天结构的外观与内部构造进行一体化设计的步骤，具体内容包括：内部线缆布局规划、连接方式选择、接口位置优化，使得最终设计出来的多功能航天结构外观形状规则整齐、接口位置合理，便于安装和模块化应用。具体地，所述结构构型为方形板状结构；所述几何尺寸依据包络约束进行确定；所述安装方式为将多功能航天结构作为一个封闭的整体结构，在厚度方向增加上、下盖板；所述上、下盖板通过框架与多功能航天结构连接成一体，并通过螺钉连接方式将框架结构与卫星本体牢固连接；所述质量分布设计内容为将大部分结构质量分布到电池组上，以减少框架和弹性支撑的质量比例。具体地，所述结构频率指的是多功能航天结构系统的反共振频率fv：其中，mp表示电池组的质量，mk表示框架的质量，kt表示弹性支撑的刚度，kk表示框架的刚度；所述几何参数包括框架、弹性支撑和电池组的几何尺寸；所述结构强度设计为结构内部弹性支撑所承受应力应满足许用应力要求：式中：σt为弹性支撑应力，为弹性支撑应力的许用值，ap表示弹性支撑加速度大小，lt、tt分别表示弹性支撑的长、厚尺寸；所述材料特性参数设计包括绝缘参数、导热系数、阻尼系数。具体地，所述总电压取值范围为33V～45.6V；所述总容量取值为10Ah；所述能量密度要求不小于170Wh/kg；所述充电体制规定为：电池在充电过程中采用先以2A的充电电流进行恒流充电，当单节电池电压达到4.2V后再转入恒压充电，充电的功耗不大于280W；所述放电体制规定为：放电电流Ip和放电时间tp需要满足如下限定条件：其中：Wp为放电功率；ηp为放电深度，Up表示电池组电压，Cp表示电池组电容量，变量顶部增加横线“-”表示该物理量设计要求的许用值。具体地，所述支撑方式采用高分子弹性材料制成的弹性支撑结构作为连接件，对电池组进行弹性约束支撑；所述绝缘措施采用以下4种方法中任一种，(1)采用铝塑复合膜对全固态聚合物锂电池单体电池进行密封；(2)采用绝缘性的有机硅凝胶对电池组进行灌封；(3)采用复合材料电池盒对电池组进行封装，电池组地线与多功能航天结构连通后又进行高阻接地设计，与航天器的地进行隔离；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种综合力‑电功能的多功能航天结构一体化设计方法，其特征在于，该方法包括三个部分，分别为：结构设计、电池组设计和约束匹配模块设计；所述结构设计的具体步骤为：(S11)对多功能航天结构进行结构总体方案设计；从多功能航天结构的结构构型、几何尺寸、安装方式、质量分布方面进行设计；(S12)对多功能航天结构进行结构参数设计；在所述结构总体方案设计的基础上，对结构频率、几何参数、结构强度、结构刚度和材料特性参数进行设计；(S13)提出对电池组设计的约束条件，作为电池组设计验证与迭代修改的验证标准；所述电池组设计的具体步骤为：(S21)对电池组总体方案进行设计，包括电池组电性能设计和电池组结构设计两部分；所述电池组电性能设计是以电源系统的电性能指标为依据，从电池组的总电压、总容量、串并方式、能量密度、充电体制、放电体制方面对电池组进行总体方案设计；所述电池组结构设计是从电池组的结构构型、包络尺寸、内部布局、结构质量、支撑方式、绝缘措施和导热策略方面进行设计；(S22)对单体电池电芯进行设计，包括电芯电性能设计和电芯结构设计两部分；所述电芯电性能设计在电池组电性能设计的基础上，对单体电压、单体内阻、单体容量、放电深度及循环寿命进行设计；所述电芯结构设计是在电池组结构设计的基础上，对电芯的内部构造、材料选型、叠层方式和密封手段进行设计；(S23)提出对结构设计的约束条件，作为结构设计验证与迭代修改的验证标准；所述约束匹配模块设计的具体方法为：根据结构与电池组两者之间的关系，设计构型约束、外形约束、重量约束、频率约束、稳固性能、绝缘性能和散热性能约束等限制条件，并依据步骤(S13)与步骤(S23)更新相关约束条件，用于检验结构设计和电池组设计是否满足要求的标准；对初步设计出来的多功能航天结构分别进行结构设计验证、电池组设计验证，并根据验证结果对结构设计、电池组设计进行匹配、迭代和修改，直至满足多功能航天器结构功能要求。...

【技术特征摘要】
1.一种综合力-电功能的多功能航天结构一体化设计方法，其特征在于，该方法包括三个部分，分别为：结构设计、电池组设计和约束匹配模块设计；所述结构设计的具体步骤为：(S11)对多功能航天结构进行结构总体方案设计；从多功能航天结构的结构构型、几何尺寸、安装方式、质量分布方面进行设计；(S12)对多功能航天结构进行结构参数设计；在所述结构总体方案设计的基础上，对结构频率、几何参数、结构强度、结构刚度和材料特性参数进行设计；(S13)提出对电池组设计的约束条件，作为电池组设计验证与迭代修改的验证标准；所述电池组设计的具体步骤为：(S21)对电池组总体方案进行设计，包括电池组电性能设计和电池组结构设计两部分；所述电池组电性能设计是以电源系统的电性能指标为依据，从电池组的总电压、总容量、串并方式、能量密度、充电体制、放电体制方面对电池组进行总体方案设计；所述电池组结构设计是从电池组的结构构型、包络尺寸、内部布局、结构质量、支撑方式、绝缘措施和导热策略方面进行设计；(S22)对单体电池电芯进行设计，包括电芯电性能设计和电芯结构设计两部分；所述电芯电性能设计在电池组电性能设计的基础上，对单体电压、单体内阻、单体容量、放电深度及循环寿命进行设计；所述电芯结构设计是在电池组结构设计的基础上，对电芯的内部构造、材料选型、叠层方式和密封手段进行设计；(S23)提出对结构设计的约束条件，作为结构设计验证与迭代修改的验证标准；所述约束匹配模块设计的具体方法为：根据结构与电池组两者之间的关系，设计构型约束、外形约束、重量约束、频率约束、稳固性能、绝缘性能和散热性能约束等限制条件，并依据步骤(S13)与步骤(S23)更新相关约束条件，用于检验结构设计和电池组设计是否满足要求的标准；对初步设计出来的多功能航天结构分别进行结构设计验证、电池组设计验证，并根据验证结果对结构设计、电池组设计进行匹配、迭代和修改，直至满足多功能航天器结构功能要求。2.如权利要求1所述的一种综合力-电功能的多功能航天结构一体化设计方法，其特征在于，所述结构设计验证的具体过程为：根据电池组设计提出的约束条件，逐条验证结构设计的合理性；若所有约束条件均满足，则完成结构设计；若不满足约束条件，则对结构总体方案设计和结构参数设计进行迭代修改；在修改过程中，优先修改对结构整体设计影响较小的结构参数；只有当修改结构参数不能满足约束条件时，才对结构总体方案设计进行修改。3.如权利要求1所述的综合力-电功能的多功能航天结构一体化设计方法，其特征在于，所述电池组设计验证的具体过程为：根据结构设计提出的约束条件，逐条验证电池组设计的合理性；若所有验证条件均满足，则确定电池组设计；若不满足验证条件，则对电池组总体方案设计和单体电池电芯设计进行修改；在修改过程中，优先修改单体电池电芯设计；在单体电池电芯设计修改中按照先局部参数，后材料选型，再到内部构造的优先级顺序依次修改；当修改单体电池电芯设计不能满足约束条件时，才对电池组总体方案设计进行修改。4.如权利要求1所述的综合力-电功能的多功能航天结构一体化设计方法，其特征在于，所述结构设计、电池组设计的迭代和修改均采用递进迭代方式进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：李东旭，周志成，郝东，廖一寰，朱仕尧，范才智，吴军，尹昌平，李德湛，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43