仿真案例｜使用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

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显示了支撑管材料在展开过程中形成的顺序图。   图1：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。  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显示了在芯轴上卷绕狭缝管的概况。 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4：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。 “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。

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