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文檔簡介
1、隨著航空技術(shù)和國防事業(yè)的發(fā)展,我國對大口徑及超大口徑天線的需求變得越來越迫切。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)計成輕質(zhì),并且在運輸或未使用過程中保持小體積,而當在軌工作時便可展開成需要的形狀。為了應(yīng)對這樣的現(xiàn)狀,空間可展開結(jié)構(gòu)作為天線周邊支撐結(jié)構(gòu),越來越多地應(yīng)用在天線上。本文對新型雙環(huán)可展開桁架結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計和動力學(xué)分
2、析、固有頻率和模態(tài)分析、基于動力學(xué)約束的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計等問題進行了深入的研究。
本文在大量閱讀國內(nèi)外文獻的基礎(chǔ)上,總結(jié)了大口徑及超大口徑可展開天線的研究現(xiàn)狀,對三種不同基本類型的可展開天線分別進行了介紹。說明了隨著航天技術(shù)和國防事業(yè)的發(fā)展,對新型空間可展開桁架結(jié)構(gòu)的需求和結(jié)構(gòu)方案設(shè)計及展開分析的必要性。從以往的單環(huán)可展開桁架結(jié)構(gòu)出發(fā),簡要介紹了已被廣泛應(yīng)用的單環(huán)可展開桁架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點。接著闡明了隨著通信科學(xué)、地球勘測等日益發(fā)展,由
3、于傳統(tǒng)的單環(huán)可展開桁架結(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)計新型可展開桁架結(jié)構(gòu)方案的迫切需要。介紹了雙環(huán)可展開桁架結(jié)構(gòu)的幾何拓撲關(guān)系及可展開的必要條件?;谔炀€的正常工作性能,從動力學(xué)特性的角度出發(fā),推導(dǎo)并確定了該可展開桁架結(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)可展開桁架結(jié)構(gòu)內(nèi)、外環(huán)的展開單元和內(nèi)、外環(huán)之間的連系桁架的展開機理?;陔p環(huán)可展開桁架結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性,基于Moore-Penrose廣
4、義逆方法,運用多體系統(tǒng)動力學(xué)理論來分析其展開的運動過程。在已有單環(huán)可展開桁架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,添加了雙環(huán)可展開桁架結(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自編計算仿真程序。為了驗證該程序的可靠性,引入單擺模型和可展開橋梁模型,通過和理論計算值、ADAMS計算值的對比,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程和計算過程中能大大節(jié)約時間,提高效率。
5、最后,通過數(shù)值仿真,獲得該雙環(huán)可展開桁架結(jié)構(gòu)展開過程中的各個狀態(tài)和各節(jié)點動力學(xué)參數(shù),為之后的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)。
本文基于Matlab對雙環(huán)可展開桁架結(jié)構(gòu)進行參數(shù)化建模,使得在計算不同口徑、劃分邊數(shù)以及桁架高度的結(jié)構(gòu)時建模更便捷。編制有限元動力學(xué)計算程序,以雙環(huán)可展開桁架結(jié)構(gòu)的初始尺寸為基準,計算該結(jié)構(gòu)完全展開狀態(tài)時的各階模態(tài)以及在各個展開過程中的基頻,從而分析該結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性。通過和ANSYS計算結(jié)果對比,驗證該程序的
6、正確性。最后,實驗室設(shè)計并制作了2m口徑的雙環(huán)可展開桁架結(jié)構(gòu)的縮比模型,利用自編有限元程序計算了該模型的動力學(xué)特性并對其展開了測試試驗。將計算結(jié)果和測試結(jié)果對比,可知上述自編程序所進行的有限元計算是比較符合實際的。對少變量優(yōu)化模型采用序列二次規(guī)劃法和遺傳算法分別進行優(yōu)化并對比,為了顯示雙環(huán)可展開桁架結(jié)構(gòu)在動力學(xué)特性方面的優(yōu)勢,建立了基于頻率約束的最小質(zhì)量優(yōu)化模型。通過優(yōu)化計算,獲得了單、雙環(huán)可展開桁架結(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,雙環(huán)可展開桁架結(jié)構(gòu)在保證剛度及減輕重量方面有明顯的優(yōu)勢,并且隨著口徑的增大該優(yōu)勢更為明顯。雙環(huán)可展開桁架結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性不僅表現(xiàn)在完全展開狀態(tài)時,它在初始收攏和各個展開過程中的動力學(xué)特性也至關(guān)重要。因此,可通過優(yōu)化計算,獲得了雙環(huán)可展開桁架結(jié)構(gòu)的最優(yōu)截面和最小質(zhì)量,并且計算了在該最優(yōu)解的情況下,雙環(huán)可展開桁架結(jié)構(gòu)在初始收攏狀態(tài)、展開過程中及完全展開狀態(tài)時都滿足動力學(xué)要求?;诮饘俜瓷涿娴男兔婢壤碚?,對預(yù)應(yīng)力索網(wǎng)反射面給出了型面
8、精度計算公式。建立以最小質(zhì)量為目標函數(shù),雙環(huán)可展開周邊桁架的動力學(xué)特性、天線整體的動力學(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。通過選擇不同數(shù)量的設(shè)計變量獲得了不同的最小質(zhì)量最優(yōu)解,結(jié)合實際模型加工、制作的情況,選擇了適合該雙環(huán)可展開桁架天線結(jié)構(gòu)的最優(yōu)設(shè)計變量數(shù)目,獲得了雙環(huán)可展開周邊桁架式天線結(jié)構(gòu)的最優(yōu)解,因此,為天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。
根據(jù)本文研究的最優(yōu)計算方法,實驗室研制了雙環(huán)可展開天線的縮比模
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