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海克斯康模拟仿真软件助力空中客车卫星太阳能电池的振动声学响应预测

面临的挑战：

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。

鉴于运载火箭整流罩的独特约束条件，在发射期间太阳能电池板被收起来，并会在之后的各种任务阶段展开。为减轻重量，不仅要在航天器上尽量使用最轻的太阳能电池，还必须尽量增大太阳能电池板表面积与重量之比，从而为航天器的运行提供支持。

这些设计约束条件促使工程师设计出能够承载太阳能电池的复杂结构，通常采用由电池覆盖的夹层结构，以满足具体的任务要求。

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，同时测量作用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，因此第一个设计往往采用保守的设计方法。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。

来自海克斯康的解决方案：

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），因此会发生粘性热耗散，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。

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的多孔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。

真实环境建模

安装时将折叠的太阳能电池叠片组连接到卫星上。卫星本体会在太阳能电池叠片组附近形成一个反射面，卫星同时也形成一个遮蔽墙，防止声波直接影响太阳能电池叠片组的零部件。在典型的测量过程中，可以使用卫星侧壁模拟器（SSS）来支承太阳能电池叠片组，以再现太阳能电池将要面临的环境。数值模型中也包括了卫星侧壁模拟器，后者以太阳能叠片组附近的全刚性壁进行建模。

最后，将平面波叠加所产生的扩散声场（DSF）激励应用到模型上，用以表示声学环境。

不仅 Actran 的结果与整个相关频率范围内的实验结果吻合，而且还能通过 Actran 后处理的输出云图来确定电池板上最大加速度和最大应变的位置。

客户简介：

关于空中客车防务与航天公司

空中客车公司是航空、航天以及相关服务的全球领导者，2017 年的综合收入为 668 亿欧元。空中客车公司可提供从 100 到 600 个以上座位的最全面的客机机型。空中客车公司也是欧洲的领先供应商，可提供加油机、战斗机，运输机以及各种任务飞机，是全球领先的航天公司之一。在直升机领域，空中客车公司可在全球范围内提供最高效的民用和军用旋翼机解决方案。