非对称索网抛物面天线力平衡特性及预拉力设计

建立具有非对称前、后索网面的旋转抛物面索网天线结构的计算模型,以索网节点的力平衡方程为依据,以前、后索网面中索段的最大拉力比最小为设计目标,给出索网天线结构预拉力的优化设计方法。考虑到索网结构中索段数目即优化变量个数(661)较多,在分析索网结构中内部索网部分力平衡特性的基础上,给出内部索网部分预拉力的一组近似最优解。结合索网天线结构的轴对称特性,将索网结构的预拉力优化问题最终简化为具有4个优化变量的优化模型并进行数值解算。以预拉力优化结果作为输入条件,进行索网结构找形过程的仿真分析。结果表明,索网结构的网面设计精度较高,网面索段的最大拉力比为1.24,验证了该方法的正确性及有效性。     

考虑膜结构应力的索网型面优化方法

在对网状反射面天线进行型面分析时,以往的研究常常将重点放在索网结构的型面精度或索段张力分布的均匀性上,没有考虑薄膜反射面的应力对索网结构的影响.因此,文中根据网状反射面天线的索网和金属丝反射网的结构特点,提出了一种考虑膜结构应力的索网型面优化方法.基于索单元和各向等应力膜单元,建立以索段张力为设计变量、索段张力的上下限...     

考虑桁架变形的可展开天线索网结构多目标优化设计

索网结构是可展开天线的重要组成部分,在桁架的支撑下,索网结构的前/后索网和竖向索阵处于张紧状态,形成满足精度要求的工作反射面.本文提出了一种可以考虑桁架变形的索网形态设计方法.首先,基于索网结构的平衡矩阵奇异值分解,约束索段张力并以索力均匀为目标,通过优化求解找到一组最优预张力.将索网挂接在桁架上,以索段的预张力和前索网节点的位置增量为设计变量,以直接与桁架连接索段的张力改变量的均方根值,索段预张力均匀性和反射面形面精度为目标,约束索段张力和节点位置增量的取值范围,建立了索网结构多目标优化模型.最后通过相应算例,验证了方法的正确性.     

基于Moore-Penrose逆的索网天线预拉力设计方法

为保证星载索网天线反射型面具有一定的刚度和热稳定性,展开态的索网结构须具有一定的预应力。结合天线索网结构的组成特点,将索网结构的预拉力设计过程分为三个阶段：优化设计前索网面索段的预拉力;计算纵向拉索的索段预拉力;优化设计后索网面的索段预拉力。在前、后两次网面索段预拉力的优化设计中,网面索段预拉力的均匀化程度以网面中各索段拉力与网面索段的拉力均值之间的差值平方和大小来衡量;认为差值平方和越小,网面索段拉力越均匀。以索网结点在理想位置力平衡所需满足的方程为主要约束条件,建立索网预拉力优化设计的数学模型。结合线性相容方程组极小范数解的概念,通过模型等效转换讨论其有效求解方法。算例结果表明,以网面索段拉力与其均值的差方和最小为目标来优化设计索网预拉力的方法简便、有效。     

索网桁架式可展开天线的多目标优化设计

针对太空索网桁架式可展开天线的结构特点和性能要求建立了天线的有限元分析模型,并对其结构进行了优化设计研究.以天线的刚性周边桁架壁厚和柔性索单元内施加的预应力为设计变量,结构重量和天线表面精度为目标函数,结构的基频为约束条件,建立了天线的多目标优化数学模型.考虑到索网结构几何非线性计算的复杂性,采用遗传算法对模型进行优化求解.通过算例分析,得到了不同权重值时的多目标优化解集,优化结果对于工程实践具有一定的指导意义,也同时证明了该模型与方法的可行性和有效性.     

FAST反射面索网支承结构误差敏感性分析和多误差耦合分析

500 m口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter aperture spherical radio telescope,FAST)的主动反射面采用柔性索网作为支承结构,通过促动器连接下拉索控制索网实现主动变位观测,这对索网支承结构的制作和安装精度要求高。采用正态分布的随机误差分析方法,针对面索和下拉索的系统索长误差、主动面索张拉力误差及外联节点安装误差,分别进行了独立误差分析和多误差耦合分析,掌握各误差对索力的影响程度,确定各误差的控制指标。分析表明:面索系统索长误差和外联节点安装误差是影响索力的主要因素;多误差的耦合效应不是各独立误差效应的线性叠加,应综合考虑主要误差因素进行耦合分析来确定控制指标。分析结果:面索和下拉索的系统索长误差限值分别为±1.5 mm和±20 mm,主动索张拉力误差限值为±5%,外联节点安装误差限值为±50 mm。这为FAST索网支承结构施工质量的控制提供了依据。     

考虑支撑桁架变形的星载索网反射面天线形态设计方法

针对索网-桁架反射面天线结构中,索网张力确定的非线性问题,提出一种新的设计方法。建立以索网放样长度为设计变量、反射面精度为目标、强度为约束的优化模型。为克服太空中天线进出阴影区时出现的松弛索问题,特引入应变约束。为了降低该非线性优化模型的求解难度,将索应变与索网节点坐标在局部对索长进行线性近似,从而将高度非线性的优化模型转化为一系列的二次规划问题。通过某10 m口径的空间反射面天线的仿真算例验证了方法的有效性。     

索网式星载展开天线结构纵向调整索数及其初始张力的优化

针对星载可展开天线的特殊要求,对索网式展开天线结构的初始设计进行优化研究。以上、下索网之间的纵向调整索数与索张力为设计变量,表面精度与纵向调整索数为目标,应力和频率为约束条件,建立双目标优化数学模型。由于传统的优化方法难以求解高度非线性的、具有混合变量的双目标优化问题,故采用遗传算法进行求解。优化取得了满意的结果,验证了模型与方法的可行性与有效性。     

六棱柱模块化可展开天线索网结构设计与分析

为更好地研究天线索网结构对展开态形面精度的影响机理,针对六棱柱模块化天线构型,提出一种六边形索网结构高精度几何设计方法。首先,根据支撑结构特点、工作波段及天线形面方程等参数,开展了天线索网构型设计,建立了形面精度与索长、索段等分数间的参数化模型,并基于机器人学齐次坐标变换理论,建立了考虑悬垂效应的边界节点数学模型;其次,以实际应用工程案例作为比较,对上述模型进行了验证,并在六棱柱单模块样机上对索网结构进行了实物研制,对误差进行了分析与研究;最后,开展了多参数影响分析,研究了展开口径、抛物面方程、网格密度等参数对形面精度的影响规律。研究结果表明：索段实测绝对误差均值约为4.9 mm,相对误差均值约为3.38%,实测值与理论值吻合良好;索网形面误差减小的趋势随着索段密度的增加相对变缓;采用增大反射面焦距、降低天线口径等方式可有效改善索网精度。该研究可为后续索网结构找形分析、形面精度调整及同类天线索网结构的研究等提供借鉴与参考。     

抛物面索网天线的最佳型面设计方法

在太空无重力工作环境下,星载索网天线反射面由张紧的网格平面拼合而成。为尽可能降低天线索网型面的原理误差,提出一种新的索网型面生成方法。方法要求抛物面索网天线型面在天线光学口径面上的投影为正三角形网格,索网反射面的型面结点均取在与理想抛物面同轴且等焦距的某映射抛物面上,投影正三角形的边长由天线反射面的焦距及型面设计的原理误差要求确定,映射抛物面的具体位置由投影正三角的边长及反射面的焦距确定。以空间任意三角形与抛物面之间的轴向方均根误差计算公式的推导为基础,讨论在天线光学口径面上投影面积为定值的空间三角形与抛物面之间轴向方均根误差取得极小值的条件,得出抛物面索网天线型面在天线光学口径面上投影为正三角形网格时原理误差最小的结论。索网型面设计的算例结果表明所提方法有效、实用。     

考虑桁架柔性的可展开天线动力学分析

周边桁架式可展开天线的展开过程涉及复杂的动力学问题,对天线展开过程的研究有助于展开天线的设计、研制和优化。综合考虑天线展开过程中桁架结构的柔性变形和索网结构的变拓扑特征,建立了周边桁架式可展开天线展开过程的动力学模型。首先采用绝对节点坐标法的梁单元对外桁架结构建模,然后引入过渡函数来描述索段由松弛到张紧状态的转变,最后建立了周边桁架可展开天线的系统动力学方程。对天线进行动力学仿真分析,结果表明该方法能有效地分析天线的展开过程,桁架结构在内部索网张力的作用下会产生柔性变形,对驱动力和展开速度产生显著的影响。     

一种基于力密度的网状可展开天线索网结构初始形态设计方法

针对环形网状可展开天线索网结构的初始形态设计问题,提出一种基于力密度思想的找形与找力相结合的优化迭代设计方法。该方法将索网结构初始形态设计分为前、后索网设计两部分。通过优化迭代的方法设计前索网,在满足网面精度要求的条件下,实现前索网所有内部索段的张力相等、边界索段与内部索段的最大张力比最小;根据前索网的形和力,在调整索保持竖直、后索网满足高度要求的条件下,通过优化实现后索网最大张力比最小。仿真算例表明,对于旋转抛物面和偏置抛物面索网结构,该方法与现有方法相比,均可进一步提高索网张力的均匀性,该方法正确有效。     

以表面精度和基频为目标的可展开天线索网结构的优化设计

对太空可展开天线索网结构中表面精度和基频的优化问题进行了研究,建立了索网的有限元分析模型,并用非线性有限元法对其进行了求解.以索网的上下弦索及中间调整索的直径为设计变量,上弦索的表面精度和结构的基频为目标函数,建立了天线单片辐射索网的多目标优化数学模型.采用序列二次规划法对模型进行了优化求解,得到了不同权重值时的多目标优化解集.由优化结果可知:以上弦索网的表面精度为目标函数之一,可使得优化后的索单元截面积有上下非对称的特点,不同位置索单元的截面积也有着特定的分布.     

基于改进张力补偿法的网状天线张力设计

大型网状反射面天线是结构复杂、柔性索和梁单元众多的高度几何非线性结构,天线内部索单元的真实张力不易控制,文中针对该问题提出了一种基于改进张力补偿法的索网张力优化设计方法.首先,借鉴模拟预应力空间结构施工的张力补偿法的思想来设计环形桁架可展开天线的索网张力和网面放样状态,但是对借鉴该思想设计的结构进行的非线性静力分析不易收敛,为此将小弹性模量技术应用于张力补偿法,形成改进的张力补偿法;然后,基于改进的张力补偿法,提出了网面张力和网面放样状态的优化设计模型.数值仿真结果表明,该算法有效地改善了网状天线非线性静力分析的不收敛现象,能有效控制主动索的真实张力,且网面放样状态形状规则,易于工程实现.     

大型索网反射面天线空间动力学分析

大型可展开索网反射面天线是目前较为理想的天线结构形式。由于其自身的结构特点以及复杂的空间环境因素,天线在运行时易产生大幅度振动变形,严重影响卫星的稳定运行。文中以某星载大型可展开索网反射面天线为切入点,对其进行了空间动力学分析。针对天线与中心刚体之间的多体动力学刚–柔耦合问题,首先根据模型分析参数建立了卫星–天线–太阳翼的星体系统模型,然后对该多体动力学模型系统进行了模态分析和瞬态动力学响应分析,从频域和时域上分析其振动特性,并分析了天线网面的形面精度随时间的变化规律。     

网状可展开天线反射面精度调整技术研究

给出了改进型周边构架式空间网状可展开天线的具体结构方案,利用权因子法对辅助牵引面式网面精度调整技术进行了理论分析及调整方法研究。给出了网面精度调整的基本理论、公式以及调整步骤,在此基础上提出了型面精度优化的数学模型,并利用单纯形法进行了优化。利用ANSYS软件建立了相应的反射面精度调整模型,并进行了调整计算;证明了所提出的方法是正确性及所给天线的结构方案的合理性。     

空间桁架可展天线反射器的形面精度优化调整

为实现高频弱信号通讯,空间网状可展开天线的尺寸越来越大,且对形面精度要求也越来越高,因此与天线形面精度相关的许多课题引起了宇航界的极大关注,特别是在如何提高索网式天线反射面精度调整的效率,用较少次数的测量和调整,使天线反射面的精度达到指标要求方面需求更为迫切.利用有限元分析方法,针对环形桁架可展开天线形面精度调整中的问题,建立了基于影响系数矩阵的多目标的精度优化调整数学模型,并采用遗传算法求解,数值结果表明,此方法能够大幅度提高天线的形面调整效率,对工程应用具有指导意义.     

大口径高精度星载天线的热变形优化设计与仿真计算

大口径高精度星载天线在轨运行时,受太阳辐照、进出地影或遮挡影响,会周期性经历各种极端温度环境,导致天线的型面恶化和指向偏差。基于此,进行了某大口径高精度星载天线的热变形优化设计与仿真计算,首先针对高精度天线的结构组成特点,开展热变形影响分析,找出部件变形对天线型面和指向的影响机理。随后,给出了天线型面误差和指向误差的计算方法,研究了天线在轨温度变化情况及温度与热变形的评价关系。通过天线热变形误差敏感性分析,找出了影响天线热变形的关键因素,并在此基础上开展了热变形优化设计。最终的电性能仿真结果显示,在三个特征频率下,天线实际相位中心与理论相位中心偏差很小,均在允许偏差范围内,验证了热变形优化的有效性。     

轻薄阵列天线阵面形状调整的作动器布局优化

针对轻薄阵列天线结构刚度差、易受复杂环境载荷影响,产生天线阵面结构变形的问题,进行阵面结构补偿设计。首先从阵面结构动力学方程出发,在保证天线阵面可控的前提下,以作动器补偿后阵面变形均方根误差最小和所需的控制能量最少为优化目标,推导并建立了作动器布局的优化模型;并根据阵面变形控制方程计算各作动器的最佳输出力,保证补偿后阵面变形均方根误差最小;最后,以悬臂式阵列天线和某圆形孔径阵列天线模型为例,采用遗传算法对作动器进行了布局优化。分析结果表明,该作动器布局的优化模型可靠,可保证轻型阵列天线阵面的结构变形均方根误差减小80%以上。     

某相控阵天气雷达结构总体设计

相控阵天气雷达是一个较复杂的系统,其布局要求紧凑,天线阵面精度要求高,组件功耗大,与其他天气雷达相比,其结构设计更复杂。文中通过总体布局设计、天线阵面结构设计与天线阵面平面精度控制以及天线座结构设计完成了某型相控阵天气雷达的设计开发工作。同时通过天线与天线座结构刚强度计算和组件热设计计算来确保设计满足要求。目前,该雷达已交付用户,其成功研制对后续类似雷达的设计具有一定的参考价值。