雙環(huán)可展開(kāi)桁架式天線動(dòng)力學(xué)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、隨著航空技術(shù)和國(guó)防事業(yè)的發(fā)展，我國(guó)對(duì)大口徑及超大口徑天線的需求變得越來(lái)越迫切。然而，天線的口徑不僅受到天線本身重量的約束，還受到火箭體積的限制。為了滿足曰益增長(zhǎng)的需求，克服客觀存在的限制與其之間的矛盾，大口徑及超大口徑天線就要求設(shè)計(jì)成輕質(zhì)，并且在運(yùn)輸或未使用過(guò)程中保持小體積，而當(dāng)在軌工作時(shí)便可展開(kāi)成需要的形狀。為了應(yīng)對(duì)這樣的現(xiàn)狀，空間可展開(kāi)結(jié)構(gòu)作為天線周邊支撐結(jié)構(gòu)，越來(lái)越多地應(yīng)用在天線上。本文對(duì)新型雙環(huán)可展開(kāi)桁架結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)和動(dòng)力學(xué)分

2、析、固有頻率和模態(tài)分析、基于動(dòng)力學(xué)約束的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究。
　　本文在大量閱讀國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)了大口徑及超大口徑可展開(kāi)天線的研究現(xiàn)狀，對(duì)三種不同基本類型的可展開(kāi)天線分別進(jìn)行了介紹。說(shuō)明了隨著航天技術(shù)和國(guó)防事業(yè)的發(fā)展，對(duì)新型空間可展開(kāi)桁架結(jié)構(gòu)的需求和結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)及展開(kāi)分析的必要性。從以往的單環(huán)可展開(kāi)桁架結(jié)構(gòu)出發(fā)，簡(jiǎn)要介紹了已被廣泛應(yīng)用的單環(huán)可展開(kāi)桁架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。接著闡明了隨著通信科學(xué)、地球勘測(cè)等日益發(fā)展，由

3、于傳統(tǒng)的單環(huán)可展開(kāi)桁架結(jié)構(gòu)的剛度低，已經(jīng)不再滿足大口徑及超大口徑天線的需要，從而揭示了設(shè)計(jì)新型可展開(kāi)桁架結(jié)構(gòu)方案的迫切需要。介紹了雙環(huán)可展開(kāi)桁架結(jié)構(gòu)的幾何拓?fù)潢P(guān)系及可展開(kāi)的必要條件?；谔炀€的正常工作性能，從動(dòng)力學(xué)特性的角度出發(fā)，推導(dǎo)并確定了該可展開(kāi)桁架結(jié)構(gòu)的最優(yōu)高度和最佳劃分邊數(shù)。最后，分別介紹了雙環(huán)可展開(kāi)桁架結(jié)構(gòu)內(nèi)、外環(huán)的展開(kāi)單元和內(nèi)、外環(huán)之間的連系桁架的展開(kāi)機(jī)理?；陔p環(huán)可展開(kāi)桁架結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性，基于Moore-Penrose廣

4、義逆方法，運(yùn)用多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論來(lái)分析其展開(kāi)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。在已有單環(huán)可展開(kāi)桁架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，添加了雙環(huán)可展開(kāi)桁架結(jié)構(gòu)特有的約束方程:內(nèi)、外環(huán)之間連系桿約束和扭簧連桿的約束。根據(jù)以上理論，采用C++Visual Studio2008自編計(jì)算仿真程序。為了驗(yàn)證該程序的可靠性，引入單擺模型和可展開(kāi)橋梁模型，通過(guò)和理論計(jì)算值、ADAMS計(jì)算值的對(duì)比，可知兩者在仿真結(jié)果上可以基本符合，并且自編仿真程序在建模過(guò)程和計(jì)算過(guò)程中能大大節(jié)約時(shí)間，提高效率。

5、最后，通過(guò)數(shù)值仿真，獲得該雙環(huán)可展開(kāi)桁架結(jié)構(gòu)展開(kāi)過(guò)程中的各個(gè)狀態(tài)和各節(jié)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，為之后的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。
　　本文基于Matlab對(duì)雙環(huán)可展開(kāi)桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化建模，使得在計(jì)算不同口徑、劃分邊數(shù)以及桁架高度的結(jié)構(gòu)時(shí)建模更便捷。編制有限元?jiǎng)恿W(xué)計(jì)算程序，以雙環(huán)可展開(kāi)桁架結(jié)構(gòu)的初始尺寸為基準(zhǔn)，計(jì)算該結(jié)構(gòu)完全展開(kāi)狀態(tài)時(shí)的各階模態(tài)以及在各個(gè)展開(kāi)過(guò)程中的基頻，從而分析該結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性。通過(guò)和ANSYS計(jì)算結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證該程序的

6、正確性。最后，實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)并制作了2m口徑的雙環(huán)可展開(kāi)桁架結(jié)構(gòu)的縮比模型，利用自編有限元程序計(jì)算了該模型的動(dòng)力學(xué)特性并對(duì)其展開(kāi)了測(cè)試試驗(yàn)。將計(jì)算結(jié)果和測(cè)試結(jié)果對(duì)比，可知上述自編程序所進(jìn)行的有限元計(jì)算是比較符合實(shí)際的。對(duì)少變量?jī)?yōu)化模型采用序列二次規(guī)劃法和遺傳算法分別進(jìn)行優(yōu)化并對(duì)比，為了顯示雙環(huán)可展開(kāi)桁架結(jié)構(gòu)在動(dòng)力學(xué)特性方面的優(yōu)勢(shì)，建立了基于頻率約束的最小質(zhì)量?jī)?yōu)化模型。通過(guò)優(yōu)化計(jì)算，獲得了單、雙環(huán)可展開(kāi)桁架結(jié)構(gòu)滿足基頻的最優(yōu)質(zhì)量。從優(yōu)化結(jié)果分

7、析可見(jiàn)，雙環(huán)可展開(kāi)桁架結(jié)構(gòu)在保證剛度及減輕重量方面有明顯的優(yōu)勢(shì)，并且隨著口徑的增大該優(yōu)勢(shì)更為明顯。雙環(huán)可展開(kāi)桁架結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性不僅表現(xiàn)在完全展開(kāi)狀態(tài)時(shí)，它在初始收攏和各個(gè)展開(kāi)過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)特性也至關(guān)重要。因此，可通過(guò)優(yōu)化計(jì)算，獲得了雙環(huán)可展開(kāi)桁架結(jié)構(gòu)的最優(yōu)截面和最小質(zhì)量，并且計(jì)算了在該最優(yōu)解的情況下，雙環(huán)可展開(kāi)桁架結(jié)構(gòu)在初始收攏狀態(tài)、展開(kāi)過(guò)程中及完全展開(kāi)狀態(tài)時(shí)都滿足動(dòng)力學(xué)要求。基于金屬反射面的型面精度理論，對(duì)預(yù)應(yīng)力索網(wǎng)反射面給出了型面

8、精度計(jì)算公式。建立以最小質(zhì)量為目標(biāo)函數(shù)，雙環(huán)可展開(kāi)周邊桁架的動(dòng)力學(xué)特性、天線整體的動(dòng)力學(xué)特性和型面精度、以及預(yù)應(yīng)力拉索的最大應(yīng)力為約束條件的優(yōu)化模型。通過(guò)選擇不同數(shù)量的設(shè)計(jì)變量獲得了不同的最小質(zhì)量最優(yōu)解，結(jié)合實(shí)際模型加工、制作的情況，選擇了適合該雙環(huán)可展開(kāi)桁架天線結(jié)構(gòu)的最優(yōu)設(shè)計(jì)變量數(shù)目，獲得了雙環(huán)可展開(kāi)周邊桁架式天線結(jié)構(gòu)的最優(yōu)解，因此，為天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。
　　根據(jù)本文研究的最優(yōu)計(jì)算方法，實(shí)驗(yàn)室研制了雙環(huán)可展開(kāi)天線的縮比模