空間展開桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與熱控制研究.pdf

1、空間結(jié)構(gòu)越來越向大型化發(fā)展,故展開結(jié)構(gòu)具有廣泛的優(yōu)勢.對于展開結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)設(shè)計和熱控制研究是兩個基本內(nèi)容.結(jié)構(gòu)設(shè)計主要進(jìn)行展開性能分析和實體模型設(shè)計,熱控制研究是為了研究展開結(jié)構(gòu)在軌中的熱特性,以進(jìn)行被動熱設(shè)計和熱控制.本文在大量學(xué)者研究的基礎(chǔ)上,對結(jié)構(gòu)設(shè)計采用階段設(shè)計理論,對熱控制研究從熱傳導(dǎo)方程和熱彈性力學(xué)方程入手,利用熱靜力學(xué)和非耦合動力學(xué)理論,以桁架拋物面展開天線結(jié)構(gòu)為基本模型,采用熱有限元法,對其結(jié)構(gòu)設(shè)計、溫度場、位移場以及熱致

2、振動進(jìn)行分析.主要研究成果如下: 為保證展開過程的有效性,在引入展開結(jié)構(gòu)三階段設(shè)計方法的基礎(chǔ)上,提出了各階段需要完成的目標(biāo)參數(shù)和分析模型以及相應(yīng)的理論進(jìn)行驗證.(1)概念設(shè)計階段的主要任務(wù)是從概念上選擇合適的展開折疊模式,完成的目標(biāo)參數(shù)主要是可展性和可折疊性,研究模型為拓?fù)淠Ｐ?采用廣義逆理論進(jìn)行結(jié)構(gòu)形態(tài)控制分析.(2)模型設(shè)計階段的主要任務(wù)是確定桿件和結(jié)點的具體尺寸,實現(xiàn)展開方案的實物模型化,完成的主要目標(biāo)參數(shù)是桿件和結(jié)點協(xié)調(diào)

3、性,防止實際展開過程中出現(xiàn)偏位和卡死的現(xiàn)象,研究模型為實體模型,采用多體動力學(xué)進(jìn)行理論分析研究.(3)優(yōu)化階段的主要任務(wù)是對修正后的模型進(jìn)行優(yōu)化,完成的目標(biāo)參數(shù)是各種實際目標(biāo)參數(shù),采用優(yōu)化理論進(jìn)行優(yōu)化分析,實際目標(biāo)參數(shù)作為優(yōu)化設(shè)計的約束函數(shù).結(jié)合設(shè)計方法,對空間望遠(yuǎn)鏡調(diào)焦機構(gòu)、伸展臂和桁架式可展拋物面天線進(jìn)行分析. 利用熱靜力學(xué)理論,采用熱有限元法,編制溫度場計算程序,并推導(dǎo)了背架結(jié)構(gòu)所引起的單元遮擋陰影面積.以桁架式展開天線為

4、研究對象,分析背架熱控涂層、背架材料以及熱控涂層退化的影響等對桁架式展開天線的溫度場和熱變形的影響,對桁架式展開天線的總體熱特性進(jìn)行研究.提出桁架式展開天線被動熱設(shè)計基本原則:(1)由于天線各部分溫度分布極不均勻,引入極值溫度區(qū)域指標(biāo),根據(jù)各構(gòu)件的工作溫度要求,確定設(shè)計極值溫度區(qū)域,同時考慮熱控涂層退化引起極值溫度區(qū)域升高的影響,并且盡可能的選用高輻射率的熱控涂層.(2)根據(jù)熱控涂層吸收率輻射率比與極值溫度區(qū)域的對應(yīng)性,選擇基本的熱控涂

5、層.(3)背架的材料特性對反射面極值溫度影響不大,背架材料初始設(shè)計可單獨進(jìn)行,并且盡可能選擇低熱脹系數(shù)的材料. 為判斷瞬態(tài)溫度場有限元方程(非線性微分方程)解的準(zhǔn)確性,結(jié)合空間展開結(jié)構(gòu)的特點,引入了趨向準(zhǔn)確解的附加收斂準(zhǔn)則.利用非耦合動力學(xué)理論,推導(dǎo)了熱致振動中由瞬態(tài)溫度場引起的熱荷載形式,將瞬態(tài)溫度場以多點激勵的方式施加于空間展開結(jié)構(gòu)模型,進(jìn)行空間展開結(jié)構(gòu)熱致振動特性分析.研究表明:(1)結(jié)點的轉(zhuǎn)角位移熱致振動比平動位移明顯,