星載大型索網(wǎng)天線結(jié)構(gòu)非線性動力學(xué)建模及形面誤差特性研究.pdf

1、索網(wǎng)天線是航天任務(wù)發(fā)展中提出的一類新型大型撓性航天結(jié)構(gòu)，對于高分辨率電子偵察、高質(zhì)量衛(wèi)星通信等空間任務(wù)具有十分重要的意義。該類天線結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、收納率高、適應(yīng)口徑范圍大等優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的星載可展開天線結(jié)構(gòu)形式。然而，其形面精度是天線性能的主要影響因素。在天線的設(shè)計、制造和在軌飛行階段，存在多種因素影響著天線的形面精度。由于這類天線結(jié)構(gòu)具有形狀與內(nèi)力相互耦合、位移與應(yīng)變呈非線性關(guān)系等特征，開展其形面誤差特性分析是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)的難題，目

2、前國內(nèi)外關(guān)于高精度網(wǎng)面構(gòu)形確定理論和系統(tǒng)形面誤差分析方法的相關(guān)資料尚不多見。本文針對未來空間任務(wù)對更大口徑、更高精度索網(wǎng)天線的迫切需求，從理論分析、數(shù)值仿真和地面實(shí)驗(yàn)三個方面，系統(tǒng)地開展了星載大型索網(wǎng)天線結(jié)構(gòu)網(wǎng)面構(gòu)形理論、非線性動力學(xué)建模、形面誤差分析等研究。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、叛芯苛怂骶W(wǎng)天線結(jié)構(gòu)網(wǎng)面構(gòu)形確定的基本理論問題，在此基礎(chǔ)上提出了索網(wǎng)天線結(jié)構(gòu)高精度網(wǎng)面構(gòu)形確定方法。通過全面分析影響索網(wǎng)結(jié)構(gòu)最終網(wǎng)面構(gòu)形的各種因素，

3、如網(wǎng)面幾何拓?fù)湫问健⑦吔邕B接條件和網(wǎng)面構(gòu)形確定準(zhǔn)則等，構(gòu)建了復(fù)雜索網(wǎng)結(jié)構(gòu)網(wǎng)面設(shè)計與構(gòu)形確定的理論基礎(chǔ)。將豎向張力索的張力等價為外力，提出了索網(wǎng)天線結(jié)構(gòu)網(wǎng)面構(gòu)形確定的基本方法；在此基礎(chǔ)上，考慮環(huán)形支撐桁架結(jié)構(gòu)的撓性特征，提出了計及桁架變形影響的精確網(wǎng)面構(gòu)形確定方法；進(jìn)一步以天線整體結(jié)構(gòu)為對象，提出了適用于主焦和偏置拋物面天線的高精度整體構(gòu)形確定方法。針對所提出的循環(huán)對稱法、拓?fù)溆成浞ǖ染W(wǎng)面構(gòu)形確定新方法，開展了相應(yīng)的數(shù)值仿真分析。結(jié)果表明

4、：循環(huán)對稱法適合于生成任意多邊形分塊的網(wǎng)面構(gòu)形；拓?fù)溆成浞ㄟm合于生成不同網(wǎng)格密度的三角形分塊網(wǎng)面構(gòu)形；而計及桁架變形影響的精確網(wǎng)面構(gòu)形確定方法適合于高工作頻段索網(wǎng)天線的網(wǎng)面構(gòu)形生成。
　?、蒲芯苛怂骶W(wǎng)天線整體結(jié)構(gòu)的非線性動力學(xué)建模問題。采用幾何非線性有限元方法，分別推導(dǎo)了含內(nèi)張力繩索和含內(nèi)壓力桁架桿的非線性單元模型，較好地考慮了結(jié)構(gòu)內(nèi)力對剛度矩陣的影響。按照從單元到部件、再從部件到系統(tǒng)的建模思路，建立了含內(nèi)力的大型索網(wǎng)天線結(jié)構(gòu)的幾

5、何非線性動力學(xué)模型。分析了索網(wǎng)天線結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性及其影響因素。結(jié)果表明：提高網(wǎng)面內(nèi)張力可使天線結(jié)構(gòu)剛度增大，固有頻率提高；而考慮桁架結(jié)構(gòu)中內(nèi)壓力的影響后，天線結(jié)構(gòu)的整體頻率有所降低。
　?、茄芯苛怂骶W(wǎng)天線結(jié)構(gòu)的形面誤差分析方法問題。針對繩索變化引起的天線形面誤差問題，提出了張緊索網(wǎng)模型和張緊桁架模型兩種計算模型。其中，張緊索網(wǎng)模型考慮了繩長變化引起的網(wǎng)面內(nèi)張力變化，具有較高的計算精度；而張緊桁架模型相對簡單，具有更高的求解效率。

6、針對在軌飛行條件引起的網(wǎng)面變形問題，提出了兩種變形預(yù)測方法，包括基于有限元模型的迭代方法和基于整體切線剛度模型的迭代方法。研究表明：基于有限元模型的迭代方法能夠準(zhǔn)確地預(yù)測多種空間載荷作用下天線整體結(jié)構(gòu)的變形，但計算過程較為復(fù)雜；而基于整體切線剛度模型的迭代方法無需進(jìn)行有限元組集，求解過程相對容易，但僅適用于單獨(dú)的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)。利用所提出的計算模型和方法，開展了初始繩長制造誤差和在軌飛行條件引起的形面誤差數(shù)值仿真分析。結(jié)果表明：初始繩長制造誤

7、差會造成天線形面精度一定程度的下降；空間環(huán)境因素中，地球非球形攝動力等攝動載荷對天線結(jié)構(gòu)形面精度的影響極小，可忽略不計，而熱載荷是顯著影響天線形面精度的一項(xiàng)重要因素；航天器飛行狀態(tài)變化(如快速軌道機(jī)動等)對天線形面精度也有較大影響。
　　⑷開展了索網(wǎng)天線結(jié)構(gòu)網(wǎng)面變形特性的實(shí)驗(yàn)研究。依據(jù)所提出的網(wǎng)面構(gòu)形確定方法，設(shè)計并建造了口徑為1.225m的索網(wǎng)天線結(jié)構(gòu)件，并建立了索網(wǎng)天線結(jié)構(gòu)變形測量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；開展了索網(wǎng)天線結(jié)構(gòu)的形面精度測量實(shí)驗(yàn)