高精度碳纤维增强树脂复合材料夹层天线面板热变形影响参数仿真与实验

为满足亚毫米波、太赫兹波段等高频天线反射面的应用需求,采用附加树脂修型技术制得1米级、面形精度优于10 μm均方差(RMS)的碳纤维增强树脂(CFRP)复合材料天线面板。主要开展了针对高精度CFRP复合材料面板在极端低温环境下的热变形机制研究。根据基础材料性能测试数据,建立面板的有限元仿真模型,预测大温差工况下多结构参数面板的热变形残差,分析了影响面板热变形特性的主要因素。比较了铝蜂窝和碳管阵列夹芯两种面板结构热变形特性的差异。结果表明,碳管夹芯结构面板具备更高的比刚度和热稳定性。通过仿真结构优化给出了面板的结构设计参数,并重新试制了原型面板。采用基于高精度数字摄影测量的实验方法,对铝蜂窝和碳管阵列两种夹芯结构原型面板在低温环境下的热变形误差进行了测量,通过分析实验与仿真结果的误差来源,讨论了有限元预测方法的可行性,给出了针对高精度CFRP复合材料面板设计及工艺方法的指导意见。      

计及金属铰链的环形可展天线热-结构分析

空间热环境对环形可展天线在轨服役稳定性的影响很大，时刻变化着的热环境会造成天线温度的剧烈波动，从而导致天线结构的热变形，使得天线的形面精度恶化，影响天线电信号的传输甚至导致天线失效，因此有必要对天线进行热-结构分析。以环形可展天线为研究对象，考虑天线在轨服务环境中的各类因素（包括空间真空、空间低温、微重力和空间热源等），基于斯忒藩-玻尔兹曼定律和傅里叶热传导理论，利用有限元软件建立计及金属铰链的环形可展天线的热辐射-热传导分析模型，研究了环形可展天线的非均匀温度场；基于弹性热力学理论及有限元理论，建立计及与不计及金属铰链的环形可展天线的热变形分析模型，研究了非均匀温度场对环形可展天线形面精度和张力比的影响规律。研究结果表明：相较于不计及金属铰链的环形可展天线，计及金属铰链的环形可展天线的形面精度和张力比均发生恶化，其中形面精度变化值已达到毫米级。研究结果对同类型环形可展天线的热-结构分析有重要的借鉴意义，可为天线的结构设计提供参考。     

自适应天线结构位移最优控制

为保证大型天线结构的形状精度,传统的方法是使结构具有足够的刚度。当采用自适应结构控制天线形变规律的时候,可以大大降低结构的重量并使结构具有更高的形状精度。针对嵌入压电作动器的自适应抛物面天线结构,建立了以天线反射面最佳吻合抛物面的精度和作动器能耗为综合目标的多目标优化控制模型,模型以结构强度和作动器性态作为约束条件,并用线性加权和法转化为单目标二次规划问题。算例表明,可以用较少的作动器,实现大型天线结构的高精度控制。     

基于均匀变形和混合智能算法的框架结构抗震优化设计

结构在地震作用下发生均匀损伤或均匀变形可以避免出现薄弱层和集中损伤,且结构整体抗震性能可得到全面提升。以此为目标对结构进行抗震优化设计具有重要的理论和工程意义,但相关的理论和规律性研究尚不够系统深入。针对目前结构优化算法计算效率较低的不足,提出基于差分进化算法和粒子群算法的混合智能算法,并给出结构优化计算流程。针对弯剪型框架结构,以弹性动力时程分析中结构各层的层间相对位移相等为优化目标,基于混合智能算法对结构楼层刚度进行优化设计,获得了楼层刚度的最优分布规律。在此基础上研究了地震动随机性和梁柱刚度比等因素对优化结果和刚度分布规律的影响。基于曲线拟合和等效理论分析,建立楼层最优刚度比和等效最优截面尺寸比的多项式函数。通过与现有研究成果的对比,验证所建立的经验函数具有较高的精度,可为面向均匀变形的结构优化设计提供准确有效的参考依据并可提高计算效率。     

基于均匀变形和混合智能算法的框架结构抗震优化设计

结构在地震作用下发生均匀损伤或均匀变形可以避免出现薄弱层和集中损伤,且结构整体抗震性能可得到全面提升。以此为目标对结构进行抗震优化设计具有重要的理论和工程意义,但相关的理论和规律性研究尚不够系统深入。针对目前结构优化算法计算效率较低的不足,提出基于差分进化算法和粒子群算法的混合智能算法,并给出结构优化计算流程。针对弯剪型框架结构,以弹性动力时程分析中结构各层的层间相对位移相等为优化目标,基于混合智能算法对结构楼层刚度进行优化设计,获得了楼层刚度的最优分布规律。在此基础上研究了地震动随机性和梁柱刚度比等因素对优化结果和刚度分布规律的影响。基于曲线拟合和等效理论分析,建立楼层最优刚度比和等效最优截面尺寸比的多项式函数。通过与现有研究成果的对比,验证所建立的经验函数具有较高的精度,可为面向均匀变形的结构优化设计提供准确有效的参考依据并可提高计算效率。     

碳纤维蜂窝夹层天线热-结构耦合变形仿真分析

碳纤维蜂窝夹层天线在重力、热及固定方式作用下的变形是影响天线反射面镀膜质量及天线精度的重要因素,利用有限元分析方法对天线进行热-结构耦合变形分析,可以为镀膜设备设计提供科学依据。采用ANSYS有限元分析软件对某型碳纤维蜂窝夹层天线的变形进行了仿真,分析了天线自20℃升到100℃温度变化、重力场、不同安装角度及固定方式下的变形特性。仿真结果表明,天线的变形及应力与安装角度之间无明显关系,但天线刚性固定时变形和应力均大于非刚性固定,非刚性固定状态变形最小值发生在天线45°安装时。结果表明,天线进行表面镀膜时应采用浮动安装固定方式,45°安装角固定。     

基于有限元分析的高精密柔性夹具优化方案设计

针对高精密加工过程中柔性夹具的变形问题进行理论计算和实验分析.首先应用CAE软件对现有柔性夹具进行有限元分析,分析夹具变形问题.然后通过CAD软件改变该夹具模型的结构参数和尺寸参数,优化夹具构造,以减少定位过程的夹具变形,并再次通过CAE软件进行分析,验证优化效果.通过增加夹具体主平面刚度、增加夹具体肋板刚度和改变夹具定位点位置等方法,实现夹具体的最大变形量满足加工精度的要求.实验分析以定位点变形为研究对象,测量得到4个定位点在夹具装夹过程中的变形量.实验结果基本符合理论计算结果,得到最终优化方案的4个定位点变形量均小于001 mm,满足了该高精密加工中对夹具体的精度要求.优化方案在实际生产中得到实施,效果良好.     

星载蜂窝夹层结构固面天线反射器的热变形

针对固面天线反射器在轨运行时自身结构因素受环境温度变化引起热变形的问题,以一口径为1.2 m的星载蜂窝夹层结构固面反射器为研究对象,首先采用有限元仿真软件详细分析了温度由20℃降到-80℃时,不同蒙皮材料、胶层厚度、蜂窝刚度和蜂窝的热膨胀系数（CTE）对反射器热变形型面精度均方根（RMS）的影响规律,其次采用热压罐成型工艺制备了M55J和T300蒙皮材料的两种典型蜂窝夹层结构反射器对仿真结果进行试验验证。结果表明：M55J蒙皮材料发射器的热变形比T300蒙皮材料反射器的小,同时发现发射器的热变形与胶层的厚度基本呈线性关系,胶层厚度越薄,反射器的热变形越小,且当胶层厚度一定时,蜂窝的热变形占主导因素,其刚度变化值提升2倍时影响趋势突变,此时蒙皮刚度对蜂窝热变形的抑制作用明显,当蜂窝的CTE改变11倍时,反射器热变形RMS改变值大于80%。经试验测得环境温度由20℃降到-80℃时两种典型反射器的热变形的RMS值和仿真计算差值分别为15.7%和15.2%,证明仿真结果可靠,可通过优化相应的结构参数为星载天线反射器的设计提供参考。     

基于网格变形技术的机枪三脚架多目标响应面优化

针对使用过程中枪架弹性变形过大影响射击精度问题,提出网格变形、Plackett-Burman试验设计、多目标优化相结合提高枪架刚度的解决方案。利用网格变形技术定义形状变量,据Plackett-Burman试验设计筛选对目标函数显著度高的形状变量;采用优化拉丁方试验设计对整个设计空间均匀采样,据样本点拟合高精度Kriging响应面模型;以三脚架质量为约束,轴向、横向弯曲刚度为目标函数,用多目标遗传优化算法(MOGA)对响应面模型进行寻优。研究表明,该方法能同时提高三脚架轴向、横向刚度,可据Pareto最优解集合权衡各目标进行决策。     

大型真空罐结构强度与稳定性分析

本文对 φ８ ０００型真空罐结构进行了全面分析。计算了整体结构的应力和变形，研究了往面上开方孔后刚度削弱情况，利用间隙单元分析了齿与齿之间的联接温 度，还进行了结构稳定性分析并给出临界压力，为设计者提供了重要依据。     

复杂截面型材力控制拉弯成形数值模拟分析

复杂截面挤压型材的高精度拉弯成形是制造框架式车身的关键技术.本文基于动态显式有限元软件PAM-STAMP,针对一种典型的框架武车身用复杂截面挤压型材,对其力控制方式的直进台面式拉弯成形进行了数值模拟研究,对比分析了两种截面形状的型材截面畸变和回弹随补拉力增大的变形规律,并得到了摩擦系数对成形精度的影响.数值模拟结果表明,增加型材截面的变形刚度,可以显著地减小截面畸变和回弹;增加补拉力,增大了截面畸变但减小了回弹;增大摩擦系数,截面畸变量减小而回弹增加.     

Buckling characteristics of smart skin structures

A 5.78 GHz micro strip antenna has been developed for use in Wireless LAN (WLAN) systems. It has a composite sandwich construction, and uses composite laminates and Nomex honeycomb. This is the surface-antenna-structure (SAS) concept, applied to load-bearing structural surfaces. The design originated from a composite sandwich structure and a multi-layer micro strip antenna. Design, fabrication and validation of structural/electrical performances all took place. To verify structural rigidity, the bucking behavior was calculated from a theoretical model, and was compared with experimental results. Electrical measurements of the fabricated antenna array were in good agreement with design specifications. The SAS concept can be extended into a guide for manufacturers of structural body panels as well as antenna designers, promising innovative future communication technology.     

Coupled structural-electromagnetic-thermal modelling and analysis of active phased array antennas

The electromagnetic performance of an active phased array antenna (APAA) is obviously degraded because of structural distortion caused by thermal power consumption and exterior load. The coupled structural-electromagnetic-thermal (SET) model of APAA is developed on the analysis of the phase difference of radiating elements in the aperture field caused by structural displacement including load-displacement and thermal distortion of structure. Based on the cascade coupled finite element analysis of antenna structure, thermal distortion and other structural distortions are obtained. The coupled SET model is verified by analysing the degradation of the electromagnetic performances of a planar hexagonal APAA operating under different temperature distributions and structural constraints.     

卫星天线一体化轴系驱动机构研究

导航卫星天线指向驱动机构是实现卫星星间链路天线高精度、长寿命可靠指向的核心部件。根据驱动机构需经历的发射段力学环境，入轨后真空、高低温等约束条件及星间链路天线的高精度、长寿命的特殊要求，提出了在步进电机、谐波减速器、编码器串装和一体化轴系的基础上，提高驱动机构精度和寿命的设计方法。理论分析了驱动机构预紧轴系受力状态及其影响因素，并进行了驱动机构轴系预紧力、启动转矩等效试验和使用寿命试验，分析了所设计驱动机构的负载特性；对驱动机构轴系的锁紧螺母进行结构改进，使驱动机构轴系的受力得到了较好的优化。为验证所设计驱动机构及其改进方法的正确性，在地面开展了不同热环境下精度和寿命等测试试验，最终验证了该导航卫星天线驱动机构能够满足天线在特殊环境下高精度、长寿命在轨稳定运行的要求。机构轴系预紧力的分析和试验验证工作具有一定的工程指导意义。     

负荷传感器试验的柔性加荷方法

通过对负荷传感器负荷特性检测实验中叠置加荷方式工作过程的力学分析，提出了柔性加荷的概念，指出准确的载荷控制取决于传感器加载系统结构刚度和施力装置能够实现的位移准确程度，给出了减小系统刚度的技术方法及设计计算公式，并通过试验验证了柔性加荷理论和技术方法的可行性与有效性。在负荷传感器的负荷特性试验中，采用该方法具有试验工作效率高、保证试验测量精度、容易实施和生产成本低的效果。     

用于相位衬度CT成像的大型精密转台轴系设计与分析

针对X射线相位衬度CT（computed tomography,计算机断层扫描）成像的高分辨率、高稳定性要求,设计了大型精密转台。转台采用焊接结构和密珠轴系支撑,具有质量轻、阻力小、回转精度高的特点。介绍了转台轴系的结构设计和工艺路线,根据成像视野区允许的运动误差对轴系精度指标进行了分解。通过静态分析、惯性释放分析和模态分析研究了转台的静、动态性能并验证了其结构刚度的合理性,结合精度分析对轴系关键部件的几何误差进行了分配,误差综合结果满足指标要求。最后,对转台样机的轴系精度进行了检测,结果表明各项指标满足相位衬度成像要求。焊接结构的轻量化设计和轴系精度分析方法对大型转台轴系的研发具有一定的借鉴意义。     

电阻加载偶极天线阻抗带宽及脉冲辐射特性研究

分析了偶极天线电阻加载方面的若干问题，包括不同电阻加载方式阻抗频率特性比较，连续与离散串联集中电阻加载脉冲辐射特性比较，证明其它加载方式具有与Wu-King电阻加载相似的特性，与未加载偶极天线相比，阻抗带宽较宽，辐射脉冲失真较小。     

3D机织复合材料卫星桁架接头的抗弯刚度研究

为了研制高性能复合材料卫星桁架接头,采用三维有限元分析技术,分析了三维整体织物增强的碳纤维卫星桁架接头三通制件的等效抗弯刚度和内部应力分布,并与制件的三点弯曲实测结果进行了对比.结果表明:三通制件的等效抗弯刚度可以用有限元软件快速、方便、准确地计算出来,并可提供制件任意部位的应力分布状态,为优化制件结构设计提供理论依据.弯曲破坏实验的破坏载荷未能真实地反映接头的最大抗弯破坏承载能力,3个方管的根部应力尚未达到材料的破坏极限.