Page 92 - 《真空与低温》2025年第4期

高 斌等：薄壁多孔碳-碳复合材料栅极力学性能仿真与试验评价研究 507

表 1 中，E 为等效弹性模量；G 为剪切模量；下 为验证周期性边界条件在栅极力学分析中的
标 s 为屏栅；下标 a 为加速栅；ρ e 为等效材料密度； 适用性，相同载荷边界下对栅极真实和等效结构
下标 y、z 分别为轴向和径向；X 为横向强度；Y 为纵 开展响应对比分析。由于栅极结构具备对称性，选取
向强度；c 为碳纤维层间面内方向；t 为层间方向；S 1/4 模型进行计算，其中 xz 和 xy 平面分别施加对称
为剪切强度；v 为泊松比。栅极组件标准件依据 性边界条件，边缘固定孔壁面施加固支边界。分别
TC4 钛合金参数设定，绝缘组件依据 95 号 Al 2 O 3 陶 对栅极真实结构和等效结构加载 10g 法向加速度
瓷封接材料设定。 载荷，1/4 计算模型变形分布计算结果如图 3 所示。

变形位移/mm 变形位移/mm
5.581×10 −2 5.860×10 −2
−2
−2
5.116×10 −2 5.371×10 −2
4.651×10 −2 4.883×10 −2
4.186×10 4.395×10
3.721×10 −2 3.906×10 −2
3.256×10 −2 3.418×10 −2
2.791×10 −2 2.930×10 −2
2.325×10 −2 2.441×10 −2
1.860×10 −2 1.953×10 −2
1.395×10 −2 1.465×10 −2
9.302×10 −3 9.766×10 −3
4.651×10 −3 4.883×10 −3
0 0
y y
x x
（a）真实结构 （b）等效结构

图 3 栅极等载荷下形变分析
Fig. 3 Deformation analysis of grid and same load

等约束边界条件下，1/4 栅极真实结构法向最 星体到达预定轨道后，会通过爆炸螺栓实现
大变形 0.055 8 mm，等效结构最大变形0.058 6 mm。 解锁分离，该过程中会产生极大的瞬时冲击，在
与栅极真实结构相比，等效结构最大变形计算误差 ABAQUS 虚拟平台中，通过响应谱对栅极法向冲击
约为+5%，该误差主要是边缘栅孔不完全满足周期 载荷进行模拟，响应谱范围设置为 100～4 000 Hz，
性分布导致的，验证了等效模型的合理性。 峰值加速度为 1 000g，冲击响应谱边界设置如表 3

2.2 边界条件及载荷设置 所列。
离子推力器栅极搭载星体升空过程中，机体振
表 3 冲击响应边界条件
动会引起栅极约束点出现谐振现象，在该分析过程
Tab. 3 Impact response boundary conditions
中，将 6 个安装耳螺孔节点设置为硬约束，通过功率
谱密度即 PSD 法对栅极法向方向设置 10～2 000 Hz、 频率 振动量级
Grms 为 13.6g 范围内的随机振动载荷如表 2 所列。 验收级 鉴定级
100～600 Hz 6 dB/oct
表 2 随机振动边界条件 600～4 000 Hz 700g 1 000g

Tab. 2 Random vibration boundary conditions
3 仿真结果讨论与分析
功率谱密度
频率
验收级 鉴定级 碳-碳栅极动态分析结果主要关注栅极应力分
10～95 Hz +6 dB/oct +6 dB/oct 布与形变量对结构的抗载影响。此过程中，若应力
2
2
95～130 Hz 0.45 g /Hz 1 g /Hz 限值达到碳-碳材料应力许用值，则会导致栅极结
130～200 Hz −14.7 dB/oct −13 dB/oct 构失效，若栅极轴向极限变形超过栅极间距的 1/2，
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2
200～600 Hz 0.055 g /Hz 0.16 g /Hz 则可能导致栅间瞬时打火甚至出现粘连失效问题。

600～2 000 Hz −15 dB/oct −15 dB/oct 3.1 模态分析结果
总均方根值 Grms 8.5g 13.6g 模态分析是随机振动、响应谱分析的前处理