充氣可展開天線精度及展開過程分析研究.pdf

1、為了實現(xiàn)星載天線的大口徑、低能耗、輕質量、小運載體積，和機械可展開天線相比，充氣可展開薄膜天線結構技術具有很多的優(yōu)點，是未來大口徑甚至超大口徑天線的理想選擇。天線工作狀態(tài)的形面精度是天線最重要的結構指標，直接影響天線的電性能和使用。充氣可展開天線能否最終可靠有序地展開并保持其工作狀態(tài)，是航天任務能否成功的關鍵。本文對充氣可展開天線的高精度反射面實現(xiàn)技術、褶皺分析方法、展開過程分析等幾個關鍵問題進行了深入系統(tǒng)的研究。 論文首先在大

2、量查閱國內外文獻的基礎上，總結了國內外空間充氣可展開結構的應用情況及研究現(xiàn)狀，對課題的研究意義和研究思路進行闡述。 給出了張量表示的薄膜結構的幾何非線性有限元法。薄膜采用9節(jié)點Lagrangian曲面單元和三角形單元，索采用兩節(jié)點直線單元。提出了假想衰減項法，用以分析無預應力薄膜結構，避免了剛度矩陣奇異而不能求解的問題。據(jù)此編寫了充氣薄膜結構的有限元分析程序。 為實現(xiàn)天線的高精度反射面，分別研究比較了兩種成形理論。針對平

3、面-拋物面型充氣可展開天線反射面，利用彈性力學分析形面，研究了天線在軌時溫度變化對反射面形面的影響，并用自編程序進行驗證。針對拼接拋物反射面，為了實現(xiàn)充氣變形后的反射面逼近拋物面，經(jīng)過保形分析，裁剪設計，裁剪片拼接，分析得到充氣變形前的曲面，在充氣氣壓作用下變形成最終的高精度充氣反射面。 利用自編程序對拼接拋物天線反射面進行反射面精度的參數(shù)分析，包括材料屬性、厚度、內壓、反射面焦距等。針對地面驗證試驗的三種實驗姿態(tài)，分析重力對反

4、射面形面的影響；對2米口徑充氣可展開天線結構的工作狀態(tài)，利用有限元軟件ABAQUS建立有限元模型，分析結構的固有頻率和對應振型，分析中考慮了充氣氣體和反射面薄膜之間的流固耦合作用，采用聲音介質模擬充氣氣體對結構振動的作用。研究了天線結構設計參數(shù)的選擇對結構動力性能的影響。 褶皺現(xiàn)象大量出現(xiàn)在充氣可展開薄膜結構中，在自編的有限元程序中增加褶皺分析模塊。用綜合準則判別薄膜處于三種不同的受力狀態(tài)：張拉、褶皺、松弛。利用張力場理論分析褶

5、皺發(fā)生的區(qū)域和方向，分析充氣展開天線的褶皺出現(xiàn)情況。基于彈簧-質點系統(tǒng)提出了新的褶皺處理方法，此方法不但能分析褶皺的區(qū)域和方向，能夠預測褶皺的三維形狀和大小。 從樹葉的仿生學出發(fā)，總結出平面薄膜結構的幾種折疊方式。建立彈簧-質點系統(tǒng)描述薄膜材料，模擬薄膜結構的展開過程。薄膜展開過程中薄膜不可避免地發(fā)生自身的接觸碰撞，提出了自接觸對的判別準則，采用罰函數(shù)法有效地解決薄膜自接觸問題。對三種折疊方式的薄膜的展開過程進行比較，葉外折疊方

6、式和Miura折疊法比較適合平面薄膜的折疊。開發(fā)了充氣可展開薄膜結構展開過程仿真程序，詳細介紹了程序的流程圖。設計了充氣圓環(huán)管、充氣反射面和充氣直管的折疊方式，分析展開驅動力的作用機理和簡化模型，利用流體場理論分析氣囊內的氣壓變化，利用展開過程仿真軟件對模型進行展開過程分析，得到展開過程的各個狀態(tài)和各個點的展開速度。分析結果也驗證了折疊方式的合理性。 研制2m口徑的充氣反射面模型，介紹了花邊設計和加工工藝?；赑hotoMode