Abstract
近年の宇宙開発の一大プロジェクトである国際宇宙ステーション(ISS) の建設もすでに秒読み段階に入っており、今後さらに宇宙開発が進むことが予想
される。 また一方で、地球の衛星軌道上にはすでに多数の人工衛星が打ち上げられており、使い古された人工衛星や隕石などの宇宙のゴミ・デブリが多数浮遊している。
宇宙構造物の開発段階において、宇宙空間という特殊な環境での構造物の挙動を 知るためにはコンピュータによる数値解析が主流となるが、 特に宇宙ステーションのような大規模構造物はデブリとの衝突の可能性も十分に考えられ、4[km/sec]から10[km/sec]ともいわれる超高速度の衝突に対する宇宙構造物の安全設計が必要不可欠となる。
よって、デブリが高速衝突した際の宇宙構造物の挙動をあらかじめシミュレートすることはとても重要な課題であり、また、より正確な挙動を知るためにも、部材の破断まで考慮したデブリ衝突解析を行うことが望ましくなる。
一方、破断を伴う構造物の解析手法としては、個別要素法(DEM)や不連続変形法(DDA)などが存在するが、 このような強非線形性・不連続性を伴う問題を有限要素法を用いて解析するには非常に複雑なプロセスが必要となり、 その解析例は稀少である。
そこで本研究では、骨組構造の有限要素崩壊解析において、 線形解・非線形解ともに高精度の 収束解が得られる順応型 Shifted Integration法(ASI法)を
宇宙骨組構造のデブリ衝突解析に適用した。 ASI法は、応力・塑性ヒンジ形成位置が陽に与えられている物理モデルである 剛体・ばねモデルと有限要素とのひずみエネルギ近似の等価条件を考慮することにより得られる関係から、弾性要素における数値積分点は線形解析に対する最適位置に置き、全塑性断面発生直後にその点に正確に
塑性ヒンジを形成するように数値積分点をシフトする手法である。 この手法を用いることにより、変位型有限要素法を用いて最小限の要素数で 精度の高い解析が可能となる。
さらに、塑性ヒンジを発生させると同時に要素の断面力を解放することにより 容易に破断を表現することができる。
また、破断した要素が他の要素に再衝突した際の衝撃力が無視できないことが 考えられるため、本研究では、よりリアルな崩壊挙動をシミュレートすることを目的とし、節点の位置関係により部材間接触を判定するアルゴリズムを構築し有限要素解析プログラムに導入した。
In this paper, the Adaptively Shifted Integration (ASI) technique with the linear Timoshenko beam element, which can be easily implemented with a minimum effort into the existing finite element codes, is applied to the debris impact analysis of framed structures in space. In this technique, the numerical integration point in an elastically deformed element is firstly placed at the optimal point for linear analysis. Then the integration point is shifted immediately after the occurrence of a fully plastic section in the element, using the previously established relations between the location of numerical integration point and that of plastic hinge, to form a plastic hinge exactly at the position of that section. The technique produces higher computational accuracy with fewer elements than the conventional finite element code. By expressing member fracture by a plastic hinge located at the exact position with a simultaneous release of resultant forces in the element, discontinuous problem such as this kind can be easily analysed even by the finite element code with the displacemental form. Contact between members, and the distribution of element mass before and after member fracture has occurred, are also examined. By using the algorithms described in this paper, sufficiently reliable solutions have been obtained in the debris impact analyses of a space module unit and the International Space Station, which is due to be constructed from June, 1998.