بررسي امكان كاهش جرم سازه يك ميكرو ماهواره مكعبي با جايگزيني سازه از ايزوگريد به ساندويچي با استفاده از تحليل اجزاء محدود

Study of mass reduction- possibility of a cubic microsatellite by replacing isogrid structure with sandwich panel structure using finite element analysis

در اين پژوهش، امكان كاهش جرم سازه يك ميكروماهواره مكعبي دو طبقه با سازه قاب و پوسته بررسي شده است. با جايگزيني سازه ايزوگريد با ساندويچي، فركانس‌ طبيعي و توزيع جرم موثر مودهاي سازه تغيير مي‌يابد. جرم موثر مودال، يك خصوصيت ديناميك سازه و وابسته به فركانس طبيعي، شكل مودها، جرم‌هاي عام و بردارهاي ويژه است. جرم موثر مودال كميتي است كه ميزان اهميت يك مود ارتعاشي را هنگامي كه سازه ماهواره تحت تاثير شتابهاي منتقله از طريق صفحه پايه قرار مي‌گيرد، نشان مي‌دهد. جرم موثر بالا نشان دهنده عكس‌العمل بالا به ازاي فركانس متناظر با مود ارتعاشي مربوطه در صفحه پايه است. همچنين بارهاي ديناميك اعمالي تحت تاثير نحوه توزيع مودهاي ارتعاشي در محدوده فركانسي است. جمع اثر مودهاي مختلف باعث ايجاد نيروي عكس‌العمل قابل ملاحظه‌اي در سازه مي‌گردد. از اين رو با تغيير سازه بررسي تغييرات فركانس و جرم موثر مودهاي سازه ضروري به نظر مي‌رسد. در اين مقاله ابتدا دو سازه هم جرم ايزوگريد و ساندويچي مقايسه شده‌اند. سپس جرم سازه ساندويچي به گونه‌اي كاهش يافته است كه فركانس‌هاي طبيعي سازه ساندويچي سبك به فركانس‌هاي طبيعي سازه ايزوگريد نزديك شود. با فرض هم جرم بودن دو سازه فركانس‌هاي طبيعي سازه ساندويچي دو برابر سازه ايزوگريد به دست آمد اما توزيع جرم‌هاي موثر در جهت پرتاب در سازه ايزوگريد مناسب‌تر است. با تغيير طراحي سازه از ايزوگريد به سازه ساندويچي و بهينه كردن خواص سازه جديد، كاهش قابل توجه در جرم و بهبود خواص مودال سازه حاصل خواهد شد.

In this research the possibility of mass reduction in a two-module cubic microsatellite with skin – frame structure is studied. Natural frequencies and effective mass distribution change by replacing isogrid structure with sandwich panel (honeycomb). Modal effective mass is a dynamic characteristic of structure and depends on natural frequencies, mode shapes, general masses and eigenvectors. Modal effective mass is a quantity that shows the importance of a mode when satellite is under acceleration loads through the baseplate. High modal effective mass shows high reaction loads on baseplate in corresponding frequency. Also, acting dynamic loads are affected by distribution of modes in frequency range. The sum of effects of different modes creates significant reaction loads. Hence, study of frequency and effective mass changes by converting the structure design from isogrid to sandwich structure is necessary. In this paper, the first two isogrid and sandwich structures with equal masses are compared. Then mass of sandwich structure is decreased in such a way that natural frequencies of light sandwich structure approach natural frequencies of isogrid structure. In equal masses case, natural frequencies of sandwich structure are twice the natural frequencies of isogrid structure but effective mass distribution of isogrid structure is better along the launch direction. By changing the isogrid structure design to sandwich panel structure and optimization of the new structure characteristics a noticeable reduction in mass and improvement in modal behavior could be obtained.