人造衛星與Abaqus攜手共創未來

士盟科技-部落格圖片

當人造衛星裝進太空梭或火箭載具,發射穿過大氣層後,衛星一旦到達定位,旋即展開佈署,而其收折展開的結構分為兩大類,一種是以馬達與齒輪組來驅動硬體的機械動作,而另一種則是用能量回復的概念,想像一根塑膠吸管,將其反覆折成一段一段Z字型的疊層結構,然後放開,彈回直線形,這種方式稱為自動佈署展開,優點在於不需額外動力驅動機械構造,易收折,量輕且價廉。目前用柔性複合材所製造的自動佈署展開,已用於歐洲太空總署火星太空梭的天線上。

這類的結構涉及到高度非線性的幾何變形、挫曲以及突然斷裂的動態行為,以往都是透過反覆的實驗來評估,但在地表上,進行無重力空間試驗不是很困難,就是非常昂貴,所以虛擬的電腦模擬測試成為工程師們的解決方案。 加州理工學院博士後研究員Mallikarachchi使用Abaqus Explciit的General Contact、薄殼斷面功能、方程式拘束以及重啟分析,搭配客製化的程式與編寫輸入檔,來進行一個1m長薄壁管(壁厚0.22mm,直徑38mm)的收折釋放模擬。

整個分析包含兩部分,第一部分為擬靜態的收折,第二部分為動態釋放佈署,材料為環氧樹酯,當中放入兩層平織的碳纖維,設定材料破壞條件,部分區域裁切成帶彈簧(tape-spring)的絞接,使管子繞著衛星收折而不損壞,在彎折處,細化網格以捕捉該區域的複雜變形行為。

一共測試三種絞接設計,第三種的表現最好,依據其設計,製作實體模型進行試驗,比較雙方的結果,都顯示在0.3秒時,管子完全展開,而且釋放後的動態振盪行為吻合度高,另外,管子轉彎處承受最大應力與應變。 有了這次的經驗,Mallikarachchi博士提到,可用於設計多個絞鍊的佈署展開結構以及幾何最佳化,以達到任務之需求,未來更可以考慮不同材料的替代層狀結構、熱以及黏彈性效應。

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