大变形条件下的预应力索桁架天线结构优化设计

传统预应力索桁架天线结构设计往往依赖于经验设计和非梯度方法。为了提高该类结构的优化设计效率,文中提出了一种大变形条件下的预应力索桁架结构拓扑优化方法。该方法以一种预应力修正下的柔顺度指标作为目标函数,以质量分数和强度作为优化约束,通过归一化方法获得连续的设计变量,实现对索桁架结构的拓扑构型、组件尺寸和预应力数值的整体优化设计。目标函数的灵敏度信息可完全通过解析方法获得。数值计算结果表明,该方法对大变形条件下天线单一工况和多工况预应力索桁架优化设计都具有较好的适用性。

球型毫米波金属桁架天线罩研究

从球形毫米波天线罩的空间分块设计、金属桁架和连接节点设计、透波窗口设计以及安装架设方式等方面进行了详细论述,并通过一直径7 m、工作在20 GHz的金属空间桁架天线罩的设计实例和实验研究,证明文中所用方法行之有效,可推广应用于各种大型天线罩的电性能分析和选形设计。

金属空间桁架天线罩分析与研究

金属空间桁架天线罩的电性能影响主要取决于金属桁架的散射特性。文中详细给出了金属空间桁架天线罩的电信设计,并通过一直径7 m、工作在20 GHz的金属空间桁架天线罩的设计实例和实验研究,实验结果与理论分析相吻合,验证了金属空间桁架天线罩电信设计的正确性。

基于结构解析模型法可展桁架天线结构初步设计

为解决可展桁架天线结构初步设计的复杂性问题,从系统工程角度,以结构设计的技术指标和全部构件集合为系统要素,基于结构解析模型法,分析各要素的相互约束关系,得到系统递阶结构模型图,根据要素间的递阶关系,建立设计变量和结构构件的状态方程,指导结构各构件的设计,使得设计过程变得有效可控。设计了一个四面体单元可展桁架抛物面天线,并制作了1∶1结构试验模型。

智能抛物面桁架天线的建模和模型降阶

设计了一个智能抛物面桁架天线,采用有限元方法得到了它的动力学模型.由于此模型的阶次太高,给以后的振动控制工作带来了极大的困难.采用模态集结法对其高阶模型进行降阶.通过零极点比较、输出曲线比较和将针对低阶模型设计的线性二次型最优控制律加入原高阶模型等方法对降阶结果进行了验证.

展开桁架天线热致振动数值分析

对一展开桁架抛物面天线,利用有限元法,建立瞬态热平衡方程,针对空间天线和热致振动的特点,提出温度场在时间域上收敛于正确解和稳态解的收敛准则;利用节点温度,模拟热动力荷载,对天线典型节点热致振动位移和天线形面精度进行了数值分析。研究表明,热致振动发生在热动力荷载急剧变化的初时阶段,合适的阻尼和结构形式可以消除热致振动;结构的热致振动响应,主要集中在结构固有振动特性中的各向主振动;由热致振动引起天线形面精度误差,呈现由急剧振动趋于静态的特性,但初始的振动幅值较大。

可展桁架天线热-结构耦合分析

利用热传导-辐射理论建立方程,同时引入可展桁架天线所处的轨道条件,计算出可展桁架抛物面天线在轨运行时不同时刻的温度场;考虑结构非线性,建立结构热变形计算方程,并将热分析与结构分析进行耦合.利用Fortran语言,编制基于上述理论的有限元程序,计算出可展桁架天线在轨运行时不同时刻天线的温度场和热变形,以及不同时刻反射面的形面误差均方根(RMS).采用热-结构耦合分析方法对算例的分析表明,该方法可实现可展桁架天线从热分析到结构分析的直接转化和耦合,可用于指导可展桁架天线的结构设计和热控制设计.

可展桁架天线形面精度理论分析

针对可展桁架天线杆件多和转动铰多的特点,研究杆件加工公差和转动铰间隙对天线反射面精度和重复展开精度的影响。根据杆件加工公差和转动铰间隙发生的随机性,建立相应的随机数据模型和Monte-Carlo随机有限元模型,计算杆件加工公差和转动铰间隙所引起的天线反射面精度误差。研究表明,间隙所引起的反射面精度误差远大于杆件公差所引起的误差,并且天线重复展开精度差值不宜忽视。

可展桁架天线在轨运行中温度场分析

利用热传导辐射理论,并引入天线所处的轨道条件。可计算可展桁架抛物面天线在轨运行时不同时刻的温度场.利用Fortran语言,编制了基于上述理论的有限元程序,可计算各种轨道条件下不同时刻天线的温度场.还可用于指导天线的热变形分析和热控制设计.

星载大型可展桁架天线热变形分析

为保证某星载大型可展桁架天线在轨运行时能可靠工作,对其进行建模并用有限元法分析该模型;用I-deas计算天线在不同轨道位置的温度场分布;以计算得到的温度作为结构分析的载荷,计算天线反射面在各轨道位置上的均方根误差,实现天线在空间环境下的温度场和热变形分析.该方法对星载天线的结构设计和热控制起到一定的参考作用.

柔性蒙皮分块金属桁架天线罩技术

针对当前大型高频段地面雷达天线罩指向误差大、透波率低、结构安全和环境适应性差等技术问题,提出了一种柔性蒙皮分块金属桁架天线罩,分别从分块设计、感应电流率评估、透波窗口设计、结构仿真优化设计、张拉控制技术以及密封设计等方面阐述了该天线罩的设计方法。通过一个直径28.5 m,工作在X波段的分块金属桁架天线罩的设计实例,证明了文中所用方法的有效性,可推广应用于各类大型高频段地面雷达天线罩的研制中。

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。

大型空间桁架天线振动控制及作动器位置优化

目的对在轨大型空间柔性桁架天线结构振动进行主动控制及作动器位置优化。方法采用线性二次型最优控制算法对天线结构进行振动抑制,以系统能量和控制能量的和作为优化性能指标,利用遗传算法对作动器的位置进行优化。结果在优化配置的两个作动器控制作用下,受到激扰的天线结构振动便在10 s内得到良好得抑制,振动幅值减小了一个量级。结论适当地增加作动器数目,恰当地配置作动器的位置能有效抑制柔性天线结构的振动。

六维系统环形桁架天线的非线性动力学分析

随着科技的发展,大尺度、低重量、易收拢、高精度等特点是未来天线的主要发展方向.环形桁架天线在发射时整体处于收拢状态,升空后按指令有顺序展开,节省了航天器的空间.此外,环形桁架天线可根据需求设计展开口径的大小.所以,环形桁架天线是目前较为理想的天线结构形式.由于自身结构特点以及复杂的空间环境因素,天线在运行时易产生大幅度的非线性振动,严重影响卫星的稳定运行.因此,将环形桁架天线简化成等效圆柱壳模型,并建立其动力学方程.采用理论分析和数值模拟研究了六维系统环形桁架天线的非线性动力学特性.利用规范型理论化简系统方程分析未扰系统和扰动系统的非线性动力学行为,利用能量相位法验证环形桁架天线系统具有Shilnikov型多脉冲混沌运动,利用数值模拟验证理论分析.并通过数值模拟研究了热激励对环形桁架天线系统非线性振动的影响.

1：1内共振环形桁架天线的稳定性分析

复杂的太空环境易导致环形桁架天线产生大幅非线性振动,严重影响天线的稳定性和结构性能.在大幅的非线性振动中不同模态之间的能量可以相互传递和转换,将引起天线产生内振动.因此内共振在天线的大幅振动中起着重要的作用.本文所研究的环形桁架天线被简化成等效圆柱壳模型,建立其非线性动力学方程.根据有限元模态分析,得出环形桁架天线第四阶模态和第五阶模态的振动频率接近1:1.所以本文利用理论分析和数值计算研究1:1内共振情形下环形桁架天线的局部动力学性质.即系统受到小扰动后平衡点的稳定性.详细研究了两种不同形式下的平衡点的稳定性,即系统特征根为双零和两个负数时的稳定性以及系统特征根为双零和一对纯虚复数时的稳定性.利用中心流形理论、非线性变换、Routh-Hurwitz判据得到平衡点的稳定区域、不稳定区域和临界分岔曲线.最后通过数值模拟验证理论分析.

基于预应力杆的空间桁架天线固有频率调节技术

目的研究预应力杆对大型空间桁架天线固有频率影响,提出采用作动器实时对在轨空间天线低阶固有频率进行调整,主动避免共振现象发生。方法针对大型空间桁架天线结构有限元模型,采用降温法对桁架杆施加预应力,重点分析预应力大小、预应力杆位置、预应力杆数量对整体结构固有频率的影响。结果增加预应力大小、合理布置预应力杆位置、增加预应力杆数量能够增加空间桁架天线固有频率的改变率。结论合理优化空间桁架天线上预应力杆,可实现对在轨运行的空间桁架天线低阶固有频率实时调整,可为空间桁架天线避振设计提供参考。

大型桁架天线装配精度仿真与代理模型的构建

针对大型桁架天线装配精度的难以预测情况,采用误差等效建模方法建立桁架天线有限元仿真模型,并搭建试验台对仿真模型进行了验证。以仿真结果为基础对影响型面精度的误差因素进行了敏感度分析,通过多元线性回归拟合得到了桁架天线单元体代理模型。采用齐次变换法得到了桁架天线的整体装配误差传递模型。研究结果可为大型桁架天线的零部件设计、装配精度保障及型面精度调整等提供理论支持。

空间大型桁架天线姿态与振动一体化控制

随着空间任务需求的增长,大型桁架结构在空间应用中更加广泛,使系统刚柔耦合特性不断增强,在轨运行时容易产生振动,从而影响系统的姿态稳定。为了实现空间大型桁架天线系统姿态与振动的一体化控制,基于拉格朗日原理完善了系统动力学模型,从根本上阐述了挠性结构振动与系统姿态角的耦合关系,提出了一种固定时间全局滑模控制器以实现一体化控制目标。仿真结果表明,所提控制算法能够在短时间内抑制挠性结构的振动响应幅值,同时可保证系统姿态的稳定。该算法具有良好的鲁棒性和固定时间收敛特性。

重复折叠后SMPC可展桁架阵面天线模态试验与分析

形状记忆复合材料(shape memory polymer composite, SMPC)是一种在航天领域具有广阔应用前景的智能材料。以重复折叠展开形状记忆历程后的五节SMPC可展桁架阵面天线为对象,进行自由状态下模态试验,通过模态参数识别得到自振频率和振型,研究了预应力索和阵面板对桁架模态的影响。结果表明,预应力索可提高桁架的整体刚度,并且提高了沿纵向的抗剪能力,而阵面板可提高桁架的扭转刚度。建立了考虑空气对阵面影响的声固耦合(acoustic structure interaction, ASI)有限元模型,进行五节SMPC可展桁架阵面天线模态分析,其结果与模态试验吻合,表明仿真分析方法准确。

基于全空域跟踪的椭球型天线桁架设计及标校方法

为满足某卫星工程的测控需求,进一步提高测控网综合测控能力和覆盖范围,提出了一种新型空间椭球天线桁架结构形式及标校方法,满足了全空域、大跨度和高精度的要求。依据大跨度空间桁架理论及有限元分析结果,采用单层空间椭球面网壳的天线桁架构型,通过优化杆件截面、网架形式、跨度和高度等参数实现了对天线桁架承载力的有效分配,合理设计了空间椭球桁架结构及连接方式,并进行了椭球型天线桁架的加工。通过现场测试标定与系统联调,设计加工的椭球型天线桁架达到了系统整体的接收G/T值、第一旁瓣、差波束零深、位置精度和高刚度要求,解决了大型阵列长期运行中定期频繁标校难题,对大尺度阵列天线桁架的设计具有一定的参考意义。