剪叉联动式双层环形桁架可展开天线机构设计与分析

为提高环形桁架可展开天线机构的刚度,提出了一种剪叉联动式双层环形桁架可展开天线机构,介绍了其具体结构及特点;对整体桁架机构进行了单元划分,将其分解为多个六面体可展单元,分析了整体桁架结构的运动过程及特点,并对六面体基本可展单元进行了结构分析与简化;基于反螺旋理论分析了六面体可展单元的自由度及运动形式,得到了其只有一个收展运动自由度的结论,最后建立了整体双层环形桁架可展开机构的仿真模型,模拟了整个双层环形桁架机构的收拢与展开过程,验证了其整体的可展性。

环形桁架式天线展开不同步现象分析

从国外相关文献所反映的地面试验结果看,环形桁架式天线周边的桁架结构由于阻尼等因素在展开过程中存在明显的不同步现象。文章利用绝对节点坐标法建立了天线展开过程的多柔体展开动力学模型,获得了连续展开过程中桁架各部分承受的载荷和变形情况,并重点对展开过程中的不同步现象的产生原因及其影响进行了分析。结果表明,环形桁架式天线展开的不同步现象是由展开过程中桁架的变形与摩擦引起的,这种现象的出现导致桁架结构承受更高的载荷。该研究为环形桁架式天线的设计和验证提供了参考。

高收纳比环形天线桁架展开方案研究

针对一类高收纳比环形桁架式可展开天线结构,采用自然坐标方法对系统进行建模,通过自由度分析与动力学仿真对其展开方案进行研究。提出了同步绳约束与同步齿轮约束方案以及动力绳驱动与铰链驱动方案。研究结果表明,提出的动力绳驱动方案中两套驱动绳索具有互为备份特性。斜边滑移式桁架收拢高度较小但其自由度相对较多,采用同步绳与同步齿轮约束后可通过动力绳驱动与铰链驱动实现其展开功能。斜边不变式桁架收拢高度较大但其自由度相对较少,采用同步绳约束后通过动力绳驱动即可实现其展开功能。

大型环形可展开天线反射器展开控制技术

大型环形网状可展开天线是卫星新型的天线载荷之一,其展开和收拢状态下的体积与重量都明显高于目前的星载天线。在发射阶段,天线需牢固可靠的收藏于卫星本体,卫星入轨后反射器需由收拢状态还原到全展开状态。大型环形网状可展开天线的反射器展开控制器是反射器展开的核心控制部件,它要实现反射器由收拢状态还原展开到位的全部控制过程。本文介绍了大型环形网状可展开天线反射器展开控制器技术的一种方案。

型面周期性误差对环形桁架可展开天线电性能的影响及其消除方法

环形桁架可展开天线的型面由一系列面片拼合而成,其电性能由这些面片的大小和形状决定.本文针对环形可展开天线型面周期性几何逼近误差导致天线远场方向图存在电平较高的栅瓣的问题,提出了通过破坏误差周期性来消除其对电性能影响的方法.首先,分析了型面几何逼近误差的周期性及其对天线电性能的影响;其次,提出两种消除型面几何逼近误差周期性的方法,一是在径向引入破坏因子,二是改变型面环向轮廓形状;最后,建立优化模型,求出同时满足用户电性能和结构要求的网面分环数和破坏因子.数值仿真表明本文提出的型面优化设计方法既能在保证天线增益的条件下消除栅瓣,又不导致天线结构过于复杂.

环形桁架天线展开动力学分析

基于Lagrange动力学方程,考虑天线系统动能、索网弹性势能、重力势能及系统耗散能等,建立了环形桁架天线展开过程的动力学模型。根据构建的动力学模型,给定预设驱动,对其进行正动力学分析,对天线的完整展开过程进行仿真分析。扭簧和电机拉动绳索联合驱动实现了天线的展开,研究了扭簧驱动及电机拉动绳索驱动的参数变化对天线展开过程的影响。研究结果可为天线的展开过程提供指导。

考虑权重因子的大型桁架可展开天线可靠性建模方法研究

引入权重因子,提出了考虑权重因子的大型桁架天线可靠性建模方法。权重比例因子用于描述各铰链不同的权重比例及位置权重。对于不能用传统可靠性建模思路及方法来进行建模的大型桁架天线系统是一种新的探索。本文提出的方法也可用于其它相似系统的可靠性建模分析。

双层环形可展开天线机构设计与力学分析

为解决超大口径可展开天线机构的轻量化、高刚度设计问题,提出一种由弹性铰链驱动的双层环形可展开天线机构.建立天线结构的静力学分析模型,得出结构中杆件与拉索的相互影响关系,推导出对角拉索预紧力的取值范围.基于建立的双层环形可展开天线结构动力学分析模型,对比分析前6阶振动频率及其相应的模态振型,与无拉索相比,通过对角斜拉索刚化可以将结构刚度提高1.2倍.分析结构参数对结构振动频率的影响规律,基于振动频率影响因素的灵敏度分析,得出增加双层环形可展开天线机构中的横杆截面面积和斜拉索的截面积,减小纵杆截面面积是提高双层天线结构振动频率的有效措施.

双层环形可展开天线机构构型优选及结构设计

提出可构成双层环形桁架式可展开天线机构的可展开单元需满足的条件,设计出一种轻量化、高刚度曲柄滑块式可展开单元。建立单元特性综合评价指标,对7种可展开单元进行单元特性评价及优选。对优选出的可展单元的结构尺寸进行优化设计,获得了优化设计参数。设计了20 m的大口径双层环形桁架式可展开天线机构,研制含弹性铰链的单层环形桁架式可展开天线机构与双层单元机构原理样机,对两种样机的展开功能和重复展开精度进行测试,验证了提出的可展开机构单元及大口径天线机构设计的正确性和可行性。

空间桁架可展天线三向索网预张力多目标优化

空间可展索网式天线在展开状态下要求网面受预张力作用处于平衡状态,张力的配置直接影响天线反射器的刚度和精度。本文针对空间可展开天线抛物面索网预张力合理配置问题,建立了基于索网结构平衡矩阵奇异值分解的多目标优化设计数学模型,将预张力向量表示为平衡矩阵的零空间正交基向量的线性组合形式,采用遗传算法优化寻找最佳预张力向量。通过对三向网格索网式环形桁架可展开天线的预张力进行优化计算,得出了一种预张力优化配置方案,与单目标优化设计模型结果相比,优化指标改善了24.7%。基于非线性有限元方法对算例分析结果进行了验证,证实了预张力最优配置方案的正确性。

空间桁架可展天线反射器的形面精度优化调整

为实现高频弱信号通讯,空间网状可展开天线的尺寸越来越大,且对形面精度要求也越来越高,因此与天线形面精度相关的许多课题引起了宇航界的极大关注,特别是在如何提高索网式天线反射面精度调整的效率,用较少次数的测量和调整,使天线反射面的精度达到指标要求方面需求更为迫切。利用有限元分析方法,针对环形桁架可展开天线形面精度调整中的问题,建立了基于影响系数矩阵的多目标的精度优化调整数学模型,并采用遗传算法求解,数值结果表明,此方法能够大幅度提高天线的形面调整效率,对工程应用具有指导意义。

大型环形桁架天线柔性包带展开动力学仿真与实验研究

柔性包带作为一种大型环形桁架天线的关键部件,解锁释放后的展开动力学行为对大型可展开天线的可靠展开具有重要影响.包带展开过程呈现大位移、大转动、大变形的特点,属典型的柔性体几何非线性范畴,其展开动力学行为异常复杂.文中基于10 m级大型可展开天线的柔性包带特性与功能要求,采用几何精确法建立了柔性包带的展开动力学数值分析模型,通过研究识别了影响展开动力学特性的关键参数,开展了常温及高低温下的展开试验验证,试验与数值分析结果相符。

环形桁架结构模态实验及有限元仿真分析

针对大型可展开环形桁架天线结构开展了模态实验和有限元仿真分析。首先设计加工了环形桁架实验模型,采用锤击法对自由边界条件下环形桁架结构进行了实验模态分析,得到环形桁架结构的前六阶固有频率及其对应模态振型,并通过模态置信准则对实验结果进行了可靠性分析。其次,建立了环形桁架实验模型的有限元模型并进行模态分析,仿真得到其前六阶固有频率和模态振型。最后详细对比分析了实验结果与有限元仿真结果。结果表明:二者固有频率误差小于5%,且实验模态振型与有限元仿真模态振型一致,证明了本文分析结果真实可靠;同时,分析得到了环形桁架结构第一、二阶振型为椭圆形,第三、四阶振型为三角形,第五、六阶振型为四边形。

考虑驱动索柔性的网状天线展开动力学分析

为综合考虑铰链摩擦、索网张力及驱动绳索柔性对环形桁架式网状可展开天线展开过程的影响,建立了包含驱动绳索-滑轮的环形桁架天线系统动力学模型。采用基于位置控制的展开策略对天线的展开过程进行运动规划,实现展开角加速度的峰值最小化,并获取驱动绳索的最优输入轨迹;采用Bushing力法建立驱动绳索的动力学模型,并将索网张力等效为作用在桁架铰链上的时变外载荷,进而得到天线整体系统的动力学模型。仿真案例结果表明,驱动绳索的柔性、展开时间等参数会对展开过程中的展开角加速度和驱动索力产生显著影响,可为实际工程中环形桁架天线的展开过程控制提供参考。

大型环形桁架天线分布式驱动展开方法与数值分析

作为星载大型天线的典型结构形式,大型环形桁架天线在新一代大型通信卫星、中继卫星、对地观测卫星等中需求迫切,且需求的口径越来越大.然而随着天线口径的增大,天线展开所需要的驱动力也急剧增大,使得传统的电机-动力绳集中式驱动展开方式存在展开可靠性的问题.本文建立了大型环形桁架天线动力学仿真模型,对集中式电机驱动展开过程进行了仿真,揭示了集中式驱动下电机动力在传力路径上摩擦损失而导致的展开不同步问题,并对其展开过程能量消耗进行了分析,总结了集中式驱动存在的不足.在此基础上给出了一种基于负刚度驱动装置的分布式驱动展开方法,并通过数值算例验证了其有效性.

星载天线支撑桁架的结构设计、模型研制及实验

制备能可靠收展的高收纳比、动力学性能优良的支撑结构是大型星载天线技术发展的关键需求之一。针对环形天线反射器的支撑结构提出改进方案,通过设计支撑桁架的接头结构使其适用于多种单胞数目,为环形天线支撑桁架的地面动力学实验提供便利。首先对支撑桁架进行三维建模及运动仿真,验证方案的可行性,然后分别研制出了可展桁架实物模型,最后进行了支撑结构展开实验,验证了可展支撑桁架结构设计的可行性。

大型空间环形桁架天线反射器展开动力学模拟与实验研究

近年来,可展开环形桁架天线被广泛应用于航天领域,将其作为提升通信卫星水平的关键技术.环形桁架式天线反射器可以看作是由可展开环形桁架和柔性索网反射器组成的复杂刚-柔耦合多体系统.为了精确表征柔性构件发生的大转动、大变形运动特性,本文采用结合绝对节点坐标方法(ANCF)与自然坐标方法(NCF)的绝对坐标(ACB)方法对该系统进行建模.为了提高天线展开动力学模拟的计算效率,文中提出基于静力缩聚法和多层区域分解方法的并行求解算法实现大规模刚-柔多体系统动力学方程的高效求解.此外,为了精确反映反射器不同步展开现象,在展开动力学模型中考虑驱动力衰减的影响.最后,基于上述方法对环形桁架天线反射器展开的第二阶段进行动力学分析,并通过4 m缩比环形桁架天线地面实验验证数值模拟的结果.

预应力索网天线结构优化设计

索网预拉力设计是索网天线结构设计的一个重要内容。针对三向网格旋转抛物面索网天线结构,首先在不计桁架结构受力变形的条件下,从索网节点的力平衡方程出发,以索网结构的结构特征为依据,以网面索段最大拉力比最小为设计目标,给出了索网结构预拉力优化设计的有效方法;其次,考虑到在索网结构的拉力作用下,桁架结构的微小变形将导致网面索段的拉力均匀性变差,通过调节索网挂接节点的位置,对桁架结构的受力变形进行了有效补偿,改进了预应力索网天线结构的整体设计方案。算例分析结果表明,天线结构网面索段的实际设计最大拉力比为1.30,验证了方法的正确性及有效性。

大型环形桁架天线间隙铰径向动刚度的理论与实验研究

大型环形桁架天线结构由大量的杆件及铰链构成,环形桁架为天线结构的骨架,为天线反射型面的形成提供可靠的支撑.由于结构中存在大量的铰链,在制造及装配等过程中铰链的间隙不可避免,而铰链的动刚度系数对铰链的动力学特性有着重要影响,因此有必要对铰链的动刚度进行研究.本文对大型可展空间环形桁架天线结构间隙铰链的动刚度问题进行了理论与实验分析.建立了铰链动刚度的模型,分析了外激励、铰链间隙及铰链振动幅值对动刚度系数的影响.结果表明,间隙对动刚度系数的影响较为显著,随着间隙的增大,铰链的动刚度系数将会降低.同时,通过实验分析,验证了理论模型的正确性.

剪叉式过约束双环桁架可展天线机构的构型设计与自由度分析

基于过约束剪叉机构单元,构造了一种剪叉式过约束双环桁架可展天线机构作为星载天线支撑机构.首先,分析了剪叉式过约束双层环形桁架机构的构型机理及过约束特征,并对整体桁架机构进行了单元划分;考虑节点连接件的尺寸,推导出了此剪叉式过约束双环桁架机构的组环几何条件.然后,将双层环形桁架机构进行单元分解,基于图论和螺旋理论绘制了分解后机构单元的旋量约束拓扑图,进而分析了闭环可展开机构单元和整体双层环形桁架机构的自由度,结果表明,双层环形桁架机构的自由度和闭环可展开机构单元的自由度数相同,均只有1个自由度.最后建立了双层环形桁架可展开天线机构的仿真模型,模拟了整个机构的展开过程,验证了整体的可展性.该剪叉式过约束双环桁架可展天线机构所含运动副均为转动副,且整个机构仅具有单个自由度,运动形式简单.