辐射换热下空间薄壁杆单元的瞬态热-结构分析

本文主要探讨了辐射换热条件下瞬态热-结构分析中一种创新的空间薄壁杆单元的设计与应用。研究者针对复杂形状的薄壁杆件，如开口和闭口截面，开发了一种新的分析方法。该方法将温度场分解为平均温度和多谐摄动温度，通过两节点线性插值处理沿杆轴的方向，并采用三角函数展开来描述截面周向的温度分布。这种单元设计中，每个结点包含多个解耦的自由度，其中平均温度方程是非线性的，而谐摄动温度方程则是线性的。 在解决结构的瞬态温度场时，作者采用了Wilson-θ法，这是一种常用的数值求解策略。选择的两节点Bernoulli直梁单元被用来构建准静态热弹性有限元方程，同时考虑了非对称开口截面带来的翘曲变形和弯扭耦合效应。在温度场作用下，等效热载荷不仅涉及传统的热轴力，还包含热弯矩和热双力矩，这些因素对结构的热变形有显著影响。 为了验证新方法的有效性和准确性，作者提供了针对不同截面形式梁单元的瞬态温度场和热变形的计算实例，并通过与商业软件中二维壳元的计算结果进行了对比。结果显示，本文提出的这种方法具有较高的精度和效率，特别适合于对航天器等大型空间结构中薄壁杆件的热-结构分析，对于确保航天器的正常运行和减小热变形误差具有重要意义。 关键词：热-结构分析、辐射换热、薄壁杆件、弯扭耦合、有限元法。该研究在航天器设计领域的实际应用价值和理论贡献得到了充分展现，对于提升空间结构的热管理能力具有重要的科学价值。