大型二维多折展开平面天线机构设计及动力学特性分析

随着空间对地观测范围和观测精度要求的不断提升,对大型平面可展开天线机构的需求越来越迫切.本文提出了一种全新的空间大型二维多折展开相控阵天线机构,对其进行了构型优选、结构设计及动力学特性分析.首先,建立了综合评价指标,优选出综合性能最优的天线整体构型方案.其次,对天线机构各部件进行了详细的结构设计,进行样机的研制与展开原理实验验证.最后,建立了天线机构的有限元模型,通过仿真得出了天线机构展开态前5阶振动频率及其对应的振型,并以系统频率变形比作为优化目标对各杆件截面参数进行优化.本文所设计的二维多折展开平面天线机构折展比达到17.6,提高了传统平面天线机构的折叠比;分子振动基频达到1.3339 Hz,实现了大型平面天线机构的高刚度支撑,为我国大型平面相控阵天线机构的研制提供了可行方案.     

柔性关节动态误差对星载天线扰动及控制

柔性关节动态误差的非线性因素影响卫星的姿态控制和星载天线对目标的指向精度.基于此,建立漂浮基座星载天线的动力学模型,推导柔性关节动态误差非线性动力学模型,分析柔性关节动态误差对星载天线的扰动影响,并提出星载天线指向轨迹跟踪非线性控制器算法,利用Lyapunov理论证明所提出的算法是渐近稳定的.结果表明,阻尼和刚度相同情况下,当关节存在动态误差时,即使幅值很小,但作为激励将产生不可预知的振动响应,产生强烈的力矩和速度波动;通过合理选取控制器参数可抑制其扰动,可完全补偿柔性关节的动态误差.结论对星载天线指向精度的分析与控制具有重要的理论价值及工程实际意义.     

赋形可展开天线的柔性栅片非线性仿真

设计并加工生产了一种新型的可展开天线——赋形可展开天线。通过对柔性栅片的有限元非线性计算以及结果数据的仿真 ,预测了天线的柔性栅片间干涉碰撞形式及其收合性能。最后给出样机的实验结果。仿真与实验有很好的一致性     

基于滤波的柔性可展开天线展开过程控制方法

针对大口径可展开天线中柔性因素带来的展开过程振动问题,提出一种基于滤波的解耦控制方法。利用瑞利—里兹法构造的假设位移场对变形体进行离散,结合拉格朗日方法建立天线的展开过程多柔体动力学模型。根据动力学分析和展开轨迹的谱分析结果,应用低通滤波器将天线运动反馈分解为纯刚体运动和由柔性因素引起的振动两部分。基于机构的瞬时结构分析,将机构基频与结构基频的概念联系起来,并确定滤波的截止频率。针对两部分反馈信号的特点,分别设计刚性控制器和柔性控制器。刚性控制器保证天线按照预先设计的轨迹展开,柔性控制器用于抑制柔性振动产生的影响。讨论两组控制器增益参数的耦合关系,并基于信号能量相关性分析提出控制器增益参数选取的准则。仿真结果说明该方法的可行性和合理性。     

空间可展薄膜阵列天线构型设计与验证

面向空间天线大型化、轻量化需求,设计了杆膜一体卷曲展开薄膜阵列天线可展结构,实现了我国首个薄膜阵列天线在轨验证。首先,采用瑞利-里兹法建立了考虑张力作用的薄膜天线一阶弯、扭、摆振动频率近似解析模型,推导了薄膜天线框架结构的一阶扭转振动频率近似解,指导了薄膜天线结构动力学特性的快速分析与参数设计,相比于非线性有限元法,具有高效便捷的特点。其次,研究了薄膜天线主梁截面半径、框架长宽比、张力大小等特性参数对天线振动频率的影响,给出了结构参数的优选范围,通过仿真和试验方法验证了参数设计的合理性。最后,介绍了薄膜天线在轨展开验证情况,试验表明在卫星姿态机动扰动下天线结构保持稳定,验证了结构设计的可行性。     

空间柔性天线展开臂的半主动振动控制研究

大型柔性天线展开臂结构由于其尺寸大,阻尼和刚度小,其振动呈现明显的低频特性,且很难在短时间内迅速衰减,从而影响天线工作性能。传统的被动控制大都采用阻尼材料,通过增加阻尼的方法来进行控制,这种控制方法对低频柔性结构的控制效果是有限的。因此研究带负载的复合材料柔性展开臂结构的振动抑制问题,提出用压电元件粘贴在展开臂结构表面作为传感器和驱动器,用基于同步开关阻尼技术的自适应半主动振动控制方法控制压电驱动器,从而对展开臂结构实现振动控制。完成了展开臂模型的建立和仿真分析,建立了展开臂结构的开关阻尼半主动控制试验平台,设计并制作了控制电路,针对需要控制的结构一阶弯曲模态进行压电元件的合理布设。对不同激励下的振动进行了展开臂结构的控制试验,试验结果显示该方法对带负载柔性天线展开臂结构的振动具有良好的抑制效果,对于初始位移为100 mm的瞬态激励振动工况,受控系统等效阻尼比由0.6%增加至4.03%;对于稳态振幅为50 mm的稳态振动工况,系统控制后结构端部振动幅值降低至10 mm,稳态振动幅值降低了16.843 dB。在大型柔性结构中具有非常好的应用前景。     

Deployment Control Method for Flexible Deployable Antennas Based on FFT Filter

针对大口径可展开天线中柔性因素带来的展开过程振动问题,提出一种基于滤波的解耦控制方法.利用瑞利-里兹法构造的假设位移场对变形体进行离散,结合拉格朗日方法建立天线的展开过程多柔体动力学模型.根据动力学分析和展开轨迹的谱分析结果,应用低通滤波器将天线运动反馈分解为纯刚体运动和由柔性因素引起的振动两部分.基于机构的瞬时结构分析,将机构基频与结构基频的概念联系起来,并确定滤波的截止频率.针对两部分反馈信号的特点,分别设计刚性控制器和柔性控制器.刚性控制器保证天线按照预先设计的轨迹展开,柔性控制器用于抑制柔性振动产生的影响.讨论两组控制器增益参数的耦合关系,并基于信号能量相关性分析提出控制器增益参数选取的准则.仿真结果说明该方法的可行性和合理性.     

某机载雷达天线框架结构的有限元分析

天线框架是天线的安装平台和精度基准,其结构刚度与强度直接关系到机载雷达的性能。文中以某机载雷达天线框架结构为研究对象,建立了完整的有限元仿真模型,进行了模态分析,给出了结构的前6 阶固有频率及振型,完成了该结构在加速度过载下的准静态分析及随机振动的响应分析,得到了相应的变形和应力值,并计算了相应的安全裕度。结果表明,该机载雷达天线框架具有较高的基频和较好的刚强度,结构设计满足机载产品抗力学环境设计要求。     

空间可展开三棱柱伸展臂设计与优化

空间伸展臂作为空间折展机构中形式最丰富、研究最早、应用最广泛的一维空间折展机构,其主要作用是展开柔性太阳能帆板,支撑网状天线、合成孔径雷达、太空望远镜等。以三棱柱式伸展臂为研究对象,对伸展臂的展开方式和几何参数进行设计分析。基于几何非线性有限元理论,建立含空间桁架及预应力绳索的可展开伸展臂单元模型,然后建立含多可展开单元的大型伸展臂的几何非线性动力学模型。通过Matlab编程计算伸展臂的基频,得到影响伸展臂基频的关键因素,并以伸展臂的基频为优化目标,质量为约束条件,采用遗传算法对伸展臂进行优化设计。研制可展开三棱柱伸展臂样机,对伸展臂进行折展功能及参数优化设计验证试验。结果表明所设计的三棱柱伸展臂可顺利折展,所做的优化设计有效可行。通过该方法可以对特定任务需要的伸展臂进行优化设计,在满足约束条件的情况下,达到基频最高,对伸展臂的设计提供参考。     

空间可展开天线机构研究与展望

空间可展开天线机构是近年来快速发展的研究方向之一,是支撑大型空间天线的关键装备,其发展趋势是高展收比、高精度、高刚度、轻量化。经过近30年的发展,空间可展开天线已获得大量实际应用,随着天线的超大型化需求,经典的结构形式不易满足天线日益增长的性能要求,近年来出现了以百米级尺度为目标的可展开天线机构形式,如协同展开式天线、环柱式天线、薄膜天线等。介绍空间可展开天线机构的典型结构形式、应用案例、最新的技术进展,对可展开天线机构的构型设计、优化设计、动力学分析的研究现状进行了综述,分析可展开天线机构研究当前存在的主要问题与发展趋势,为开展空间可展开天线机构研究提供借鉴与参考。     

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...     

螺旋盘绕式可展开天线动力学仿真分析

盘绕式展开机构具有构造简单、高刚性、高可靠性、高收纳率等特点,因而特别适用于小型探测臂、太阳帆板、天线展开机构等航天领域。某螺旋盘绕式可展开天线是一种典型的盘绕式展开机构。建立合理精确的螺旋盘绕式可展开天线的结构动力学模型,对掌握其动力学特性至关重要。文中运用温度梯度方法解决天线纵杆预紧力的问题。将交叉的两根斜拉杆简化为单根可拉压杆,以此处理斜拉杆在振动过程中的松弛问题。采用有限元方法分析了天线展开状态的模态、振型及加速度响应,并采用低量级正弦振动试验对仿真结果进行了验证。     

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。     

径射状可展天线反射器结构固有模态分析

掌握各种参数对大型天线固有模态的影响规律是减小质量、提高刚度的重要依据.本文将径射状可展桁架与金属细丝编织索网结合,形成了10米口径的大型天线反射器;采用杆单元与索单元,建立了天线反射器的有限元模型;利用ANSYS软件,对5种天线结构的固有频率与质量进行了对比分析,得出了采用12支径向桁架、每支5个单元机构的结构最优的结论.研究了铰链质量、缆绳截面大小、索网初拉力等参数对天线固有频率的影响规律,为天线结构的动力学研究以及结构的进一步优化设计提供了理论基础.     

Design and Experiment of Triangular Prism Mast with Tape-Spring Hyperelastic Hinges

Because of the limited space of the launch rockets, deployable mechanisms are always used to solve the phenomenon. One dimensional deployable mast can deploy and support antenna, solar sail and space optical camera. Tape-spring hyperelastic hinges can be folded and extended into a rod like configuration. It utilizes the strain energy to realize self-deploying and drive the other structures. One kind of triangular prism mast with tape-spring hyperelastic hinges is proposed and developed. Stretching and compression stiffness theoretical model are established with considering the tape-spring hyperelastic hinges based on static theory. The finite element model of ten-module triangular prism mast is set up by ABAQUS with the tape-spring hyperelastic hinge and parameter study is performed to investigate the influence of thickness, section angle and radius. Two-module TPM is processed and tested the compression stiffness by the laser displacement sensor, deploying repeat accuracy by the high speed camera, modal shape and fundamental frequency at cantilever position by LMS multi-channel vibration test and analysis system, which are used to verify precision of the theoretical and finite element models of ten-module triangular prism mast with the tape-spring hyperelastic hinges. This research proposes an innovative one dimensional triangular prism with tape-spring hyperelastic hinge which has great application value to the space deployable mechanisms.     

一种测控天线支架的优化设计

在航天领域,星上载荷的质量直接影响整星的发射成本。为了降低星上天线的质量,文中以某卫星测控天线支架为研究对象,在满足天线电性能和力学性能的前提下,采用传统方法和拓扑优化分别对支架进行改进设计,然后利用有限元分析软件Workbench对天线进行仿真分析,得到模态响应曲线和正弦振动应力云图,并对比分析仿真结果,获得支架的最优结构设计方案。该支架通过拓扑优化设计并采用增材制造（3D打印）技术加工,不仅满足各项性能指标要求,而且其质量降低了20.3%,加工时间也缩短了近60%。     

高铁平台卫通天线罩结构设计与仿真优化

为了实现高铁平台卫通天线易共形要求,同时满足高运行速度载荷和安装工况需求,文中采用自顶向下设计思路完成超低轮廓天线罩结构设计。在保证天线罩实现大入射角和高透波性能的前提下,首先考虑具备良好气动性能的工业设计方案,并对天线罩的结构强度、刚性和气动外形进行详细设计;同时对承载部件底罩进行静力学、谐响应仿真分析和优化,保证底罩满足一体化天线传动系统安装精度要求;最后完成罩体在高动态下的流固耦合仿真分析与优化。结论表明天线罩可满足电性能、机械性能和载车平台要求。     

某车载固面可展开天线反射体结构建模与分析

某车载6.3 m口径固面可展开天线反射体由瓜瓣面板、背架、展开机构、底座和固定面支撑梁组成。根据不同结构与可展开机构部件的特点,建立了天线反射体有限元模型,开展了模态分析、自重载荷力学分析和风力载荷分析。仿真结果有效揭示了天线反射体模态与型面精度的变化情况,指出了可展开特性带来的反射体周向刚度较弱的问题,可为后续的结构设计与机构集成提供指导。     

基于蜘蛛网结构的伞状可展机构设计与分析

根据蜘蛛网结构的几何特点,建立了蜘蛛网的结构简化映射模型。在此基础上,以平面四杆曲柄滑块机构为可展单元提出了一种新型伞状可展机构。利用ANSYS Workbench软件对模型进行静力学分析与优化,给出了蜘蛛圆网结构模型中捕丝间距的最佳比例关系;同时,建立了蜘蛛网刚架模型的刚度矩阵,利用矩阵位移法给出了捕丝间的最优夹角。基于捕丝间距的最佳比例和捕丝最优夹角,提出了受力性能最佳的伞状可展机构,并对其静力学性能进行了仿真分析。结果表明：基于蜘蛛网结构模型优化后的伞状可展机构强度性能得到提升。最后,设计制造了展开直径为1.2 m的可展机构模型,并对其运动过程进行模拟,验证了模型展开与收拢过程的有效性。     

基于灵敏度分析的刀形天线有限元模型修正

准确可靠的有限元模型是结构动态特性分析、设计改进的基础,文中利用模态试验得到的模态参数对某刀形天线进行有限元模型修正.首先建立天线结构的参数化模型,然后通过灵敏度分析选择合适的设计参数作为后续优化对象,利用计算与试验的模态频率之间的相对误差构造加权的优化目标函数,最后应用1阶优化方法修正结构的有限元模型.修正后有限元模型的模态频率最大相对误差降低至10%以内,模态置信度(MAC)均大于0.8.该修正模型可用于后续的动力学分析.