基于力密度的径向肋式索膜反射面天线形态设计

针对空间索膜结构的初始形态设计问题,提出基于力密度方法和控制索网网格面积大小的方法来对边界拉索张力设计和索网形状设计的天线找形迭代策略。首先将薄膜反射面离散为三角形膜单元,得到膜单元的等效力密度,结合索网结构特点,得到索网和薄膜的静力平衡方程。保证索网所有内部索段的张力相等,同时通过控制网格面积大小实现边界索段张力设计。对前索网形状进行设计,根据前索网的抛物面方程,更新前索网自由节点坐标,进而重新调整竖向索张力,同时控制网格面积大小,通过优化迭代过程,实现天线的形态设计。通过径向肋式索膜反射面天线算例表明,该方法能够得到满足形状和张力分布的设计结果。

空间可展开天线模态测试与模型修正技术

为准确预测结构的力学特性,使仿真结果精确逼近试验结果,必须对有限元模型进行修正。由于网状可展开天线的有限元模型中存在着各类结构参数且内部索网属于柔性结构,索网索段由于预张力才具有刚度,结构的这一特殊性导致模型修正困难。对3 m可展开天线样机进行了模态测试,在样机自由状态下获取了结构的模态频率和振型;针对可展开天线这种柔性复杂结构模态参数难识别、待修正参数多的特点,对修正参数进行了有针对性的选择;使用基于设计参数灵敏度型的模型修正方法对有限元模型进行了修正,缩小了样机与仿真固有频率和振型之间的误差,得到一种处理含有索网结构的模态测试流程和模型修正方法。

索膜反射面可展开天线的形态设计

为研究金属反射网和索网的张紧状态对可展开天线形面精度的影响,考虑支撑桁架变形对索膜反射面可展开天线进行形态设计研究。金属反射网可看作一类薄膜结构,由于金属反射网和索网均需施加预张力来达到一定的刚度,因此首先基于索膜结构力密度方程进行形态设计,使其在自身预张力和外载作用下达到满足要求的形状和精度;索膜结构的张拉作用会导致桁架变形,造成再平衡后索膜反射面形面精度的降低和张力分布不合理,因此,需要建立天线整体的非线性有限元模型;对天线模型进行迭代修正,最后得到满足要求的张力设计变量和天线构型。最后通过相应算例,验证了方法的正确性。

一种薄膜反射面天线型面精度主动控制方法

针对如何有效进行薄膜反射面天线型面精度主动控制的问题,提出了一种静电力和边界索力相结合的双向控制方法。推导了薄膜反射面和薄膜控制面间距发生变化时的静电力计算公式,并给出了静电力更新流程;以电极电压和边界索力为设计变量,以薄膜反射面型面精度为优化目标,建立了薄膜反射面天线型面精度主动控制模型;通过两种形式温度载荷作用下的薄膜反射面天线型面精度主动控制仿真算例,验证了控制方法的有效性。

形面精度可调节的单层索网空间抛物面天线

大口径高形面精度的空间可展开天线是未来航天器天线的重要发展方向之一。提出了一种新型形面可调节的单层索网空间可展开天线。通过对单层索网进行静力平衡分析,给出了单层索网天线的内力计算方法,并基于能量法,建立了单层索网天线的形状预测理论模型,实现了单层索网天线的三步法找形方法。基于理论分析结果,建立了50 m口径的单层索网天线的有限元模型,通过有限元模型对建立的单层索网理论设计分析方法进行了验证,并验证了单层索网天线的形面精度及在轨调整的可行性。理论分析和有限元分析结果表明,单层索网天线拓扑构型简单,可通过改变天线中心轴的长度,实现天线形面的在轨调节。在100℃的均匀温差下,通过在轨形面调节,50 m口径单层索网天线的形面误差可降低至5 mm以下。

大型空间可展开天线的研究现状与发展趋势

文中较为系统地介绍了国内外大口径星载可展开天线研究的现状及其未来发展趋势,内容涉及网状、薄膜、微电子机械、固面、充气等不同类型天线。对应用广泛的大型索网天线,阐述了数字化建模、网状找形找态、多态动力优化、多柔体动力学分析与展开过程控制、展开可靠性分析、在轨热分析与控制、形面调整与测试、机-电-热场耦合建模与电性能分析等模型建立、分析与设计方法以及针对星载可展开天线分析与设计的知识型设计软件与综合设计支撑平台等。此外,对正在研制与在轨服役的星载天线也作了简单介绍。

星载索网反射面天线的预张力设计

星载索网反射面天线是由张拉索、膜以及支撑梁单元构成的组合结构,具有高度几何非线性,天线内部索、膜单元的张力不易控制。针对索、膜-桁架反射面天线结构中,索、膜张力确定的非线性问题,文中提出了一种张力设计的2步法:第1步,仅考虑索、膜结构,根据各向同性应力假设,推导了膜结构的平衡矩阵和平衡方程,在此基础上,建立以索、膜张力为设计变量,以索、膜张力均匀性为目标的优化模型,为避免索松弛和膜褶皱,引入相应张力约束;第2步,考虑梁结构的弹性变形对索膜张力和天线均方根误差的影响,采用逆迭代法对索膜张力予以修正。某6 m天线的算例表明,该方法可在一定程度上有效控制索膜张力的分布,快速得到一组平衡的索膜预张力。

静电成形薄膜反射面设计

为制作高精度的静电成形薄膜反射面,首先利用遗传算法与梯度法的两级优化方法对各电极进行布局优化;基于优化思想在给定电压、索拉力和理想膜面的情况下,求解初始膜面的形状参数,获得无应力初始膜面;对无应力初始膜面进行裁剪分析,利用等效力学的方法进行曲面展平,得到平面裁剪片;基于有限元思想将平面裁剪片拼接得到初始膜面状态,施加静电力和索拉力后,得到理论上的拼接反射面最终成形状态。基于上述理论设计0.55 m静电成形薄膜反射面天线模型,基于Digimetric软件建立摄像测量系统,对薄膜反射面模型进行形面精度测量,通过反复的测量和形面调整,膜面精度达到0.13 mm,验证了高精度制作的可实现性。

大型星载索网-桁架式可展开天线综合设计平台与数字化建模

针对大型索网——桁架式星载可展开天线的特点,文章较为系统地阐述了综合设计软件平台的整体架构与基本功能。研发了该类天线(Astromesh、径向肋及构架式等3种)的整机数字化造型与数据库模块。建立了整机数字化设计的层次结构,提出了抽象和分类方法,解决了该类天线CAD/CAE集成建模的难点。研制了包括快速数字化建模、数据库、找形找态分析、收拢与展开两态动力优化、热分析、多柔体展开动力学分析、展开可靠性分析、电性能分析、网面精度调整等模块在内的大型索网——桁架式星载可展开天线综合设计平台。限于篇幅,文章仅就整机数字化建模、数据库、CAD/CAE集成建模等内容加以讨论。多个典型天线、样机以及工程的应用说明,该综合设计平台可有效的辅助创新,缩短周期、降低成本、提高性能。

考虑膜结构应力的索网型面优化方法

在对网状反射面天线进行型面分析时,以往的研究常常将重点放在索网结构的型面精度或索段张力分布的均匀性上,没有考虑薄膜反射面的应力对索网结构的影响。因此,文中根据网状反射面天线的索网和金属丝反射网的结构特点,提出了一种考虑膜结构应力的索网型面优化方法。基于索单元和各向等应力膜单元,建立以索段张力为设计变量、索段张力的上下限值为约束、索段张力均匀性为目标函数的优化模型。编制了相应的找形程序,通过算例证明了该方法的可行性。

索穹顶网状可展开天线创新设计

随着人类进入大宇航时代,对空间天线提出了大口径、轻质量与高收纳比的要求。针对大口径AstroMesh网状天线收拢高度难以满足火箭整流罩尺寸要求的问题,提出了一种索穹顶网状可展开天线创新设计方案。通过引入由受压杆、环索与斜索组成的索穹顶结构,实现天线下索网分环设计,缩短了与下索网相连的桁架竖杆长度,从而降低了天线整体收拢高度。通过16 m与100 m两种典型口径天线设计参数对比,结果显示该创新方案不仅破解了AstroMesh网状天线收拢高度高的问题,而且具有低面密度、结构简单的优点。设计并制作了1 m口径索穹顶网状可展开天线原理样机,开展了面形精度与展开过程测试实验,验证了设计方案的有效性。所提创新设计方案为未来百米口径网状可展开天线结构设计提供了新思路。

基于改进力密度法和非线性有限元法的索-膜-桁架天线形态优化设计

索-膜组合结构预张力会通过边界索力作用到支撑桁架上导致桁架变形,桁架变形又会改变索-膜组合结构的边界形状和预张力分布,这是索-膜-桁架之间的力-形耦合问题。针对索-膜-桁架天线中普遍存在的这种力-形耦合问题,提出了基于改进力密度法和非线性有限元法的形态优化设计方法进行解决。首先推导了索-膜组合结构的改进力密度平衡方程,利用力密度迭代方法确定边界固定时的索-膜组合结构初始形态,作为形态优化的初始值。然后推导了索-膜-桁架组合结构的非线性有限元平衡方程,并以索和薄膜预张力为设计变量、薄膜反射面的最佳拟合形面精度为优化目标、索-膜组合结构不松弛或褶皱为约束条件建立形态优化模型。最后通过对某口径5米索-膜-桁架天线和某口径20米的偏置索-膜-桁架天线进行形态优化设计仿真,验证了提出方法的有效性。设计完成的某口径5米的索-膜-桁架天线,实物模型测量取得了预期结果。