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...     

基于改进力密度法和非线性有限元法的索-膜-桁架天线形态优化设计

索-膜组合结构预张力会通过边界索力作用到支撑桁架上导致桁架变形，桁架变形又会改变索-膜组合结构的边界形状和预张力分布，这是索-膜-桁架之间的力-形耦合问题。针对索-膜-桁架天线中普遍存在的这种力-形耦合问题，提出了基于改进力密度法和非线性有限元法的形态优化设计方法进行解决。首先推导了索-膜组合结构的改进力密度平衡方程，利用力密度迭代方法确定边界固定时的索-膜组合结构初始形态，作为形态优化的初始值。然后推导了索-膜-桁架组合结构的非线性有限元平衡方程，并以索和薄膜预张力为设计变量、薄膜反射面的最佳拟合形面精度为优化目标、索-膜组合结构不松弛或褶皱为约束条件建立形态优化模型。最后通过对某口径5米索-膜-桁架天线和某口径20米的偏置索-膜-桁架天线进行形态优化设计仿真，验证了提出方法的有效性。设计完成的某口径5米的索-膜-桁架天线，实物模型测量取得了预期结果。     

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.     

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。     

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.     

层合壳反射面星载天线大范围指向行为特性分析

为了研究柔性反射面几何非线性和耦合效应对大范围运动星载天线的精确动力学行为,以多层层合间结构特性的反射面为研究对象,采用三节点壳单元结构对反射面变形位移进行精确描述,并考虑天线大范围运动和反射面厚度方向变形、横向、侧向弯曲变形以及扭转变形的耦合作用,利用Lagrange方法推导大范围运动星载天线的精确非线性动力学模型,所建立模型包含层合间的结构特性与非线性耦合项。针对线性模型和非线性模型,分别对星载天线系统进行仿真对比分析,结果表明,线性模型过早忽略几何非线性和耦合变形作用,随着转动角速度增大,动力学特性将产生差异,而非线性模型适合于大范围柔性反射面天线指向过程,可精确地预测星载天线的指向精度。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。     

伞状膜式反射面的型面设计

针对支撑肋、反射膜面及索构成的伞状空间天线反射面,发展了一种新型、高效的型面精度调整以及形态设计的优化分析方法。首先,通过调整索牵引技术调整反射面形状,设计了索的布置方案,并基于支持向量机代理模型和遗传算法优化了调整索的索力值,将反射面型面误差RMS值减小到0. 6 mm以下;其次,充分考虑肋的变形,采用复位平衡法得到了肋的应力分布,通过应力释放获得肋的初始形状,确保肋变形后为反射面形状保持所需形状。     

桁架-索网抛物柱面可展开天线结构设计与分析

现有抛物柱面天线存在结构单一、展开性能差的缺陷,因此文中提出一种桁架-索网抛物柱面可展开天线,并对其展开机构、索网形态进行详细设计,研制试验原理样机。一方面,桁架作为天线的主要承力构件和展开机构,由平行四边形折展单元串联而成,采用扭簧-柔索实施展开驱动。另一方面,将天线反射面设计为网状抛物柱面结构,通过多段等长直线索段对弧形索进行逼近,建立允许误差、索段长度、索段数目间的数学关系,完成索网分段设计;对节点进行受力平衡分析求解预张力,得到各索段预张力介于4 N ~ 35 N 间。最后,加工组装桁架结构,借助裁索机编织索网,完成尺寸为2 054 mm *1 040 mm *475 mm 的原理样机的研制。     

张力杆天线的概念

本文介绍一种张力杆天线的概念,即一个抛物型反射面可以山一个三维空间中集成的张力钢丝绳(称为张力杆)网络系统来形成。张力杆天线是由钢丝绳形成的三角形网格,RF 反射面和一个提供支撑钢丝绳网格的预张力的支撑结构等部分组成。张力杆天线的主要特点是其反射面形状完全由钢丝绳单元的长度和布局等几何参数来决定。张力杆天线具有几何成形简单、适应性好、重量轻、包装体积小,以及易于展开和收藏等优点。可应用于太空中的自动展开式天线,也可应用于地面卫星通讯中的便携式天线。     

提高超大型天线索支撑结构刚度的方法及其对电性能的影响

针对新一代大型球面射电望远镜馈源舱索支撑结构存在扭转刚度低的问题,提出增加稳定索系以提高扭转刚度的方法.稳定索系由3根下拉索构成,每根稳定索的上端与馈源舱连接,下端通过导向滑轮与吊重相连.在馈源舱支撑结构因外部扰动发生振动时,稳定索系起到动力吸振作用,有效提高结构的刚度.考虑大跨度悬索自重对悬索形状和张力的影响,建立包含稳定索系在内的馈源舱索支撑结构的系统非线性平衡方程.给出在外部干扰作用下,改型前后结构位移响应的对比,并通过5 m试验模型验证该方法的有效性.进而,绘制天线方向图,从增益、第一副瓣电平、交叉极化等方面,对增加稳定索系可能带来的对天线电性能的影响进行定量分析.理论分析与试验结果说明,增加稳定索系的支撑方案可以应用于500 m天线工程.     

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。     

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。     

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。     

大型空间可展开天线的研究现状与发展趋势

文中较为系统地介绍了国内外大口径星载可展开天线研究的现状及其未来发展趋势,内容涉及网状、薄膜、微电子机械、固面、充气等不同类型天线.对应用广泛的大型索网天线,阐述了数字化建模、网状找形找态、多态动力优化、多柔体动力学分析与展开过程控制、展开可靠性分析、在轨热分析与控制、形面调整与测试、机-电-热场耦合建模与电性能分析等模型建立、分析与设计方法以及针对星载可展开天线分析与设计的知识型设计软件与综合设计支撑平台等.此外,对正在研制与在轨服役的星载天线也作了简单介绍.     

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...     

抛物面天线结构的优化设计

为了进一步提高天线反射面的表面精度,本文采用数学规划法,建立了抛物面天线中心体和背架结构优化设计的数学模型,并将ANSYS软件和数学规划法相结合,以重量为目标函数对抛物面天线中心体和背架结构进行优化设计,大大提高了天线反射面的表面精度.本文的研究结果对提高天线结构设计的效果,改进天线的性能有一定的作用.     

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。     

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.     

某星载天线反射罩的热应力优化设计

星载天线在轨运行时主要受温度载荷的影响,其天线结构的热应力优化设计对于系统的安全性和稳定性具有重要意义。文中采用有限元仿真分析的方法研究了某星载天线单元的热应力状态,针对天线单元中反射罩底板热应力远超材料许用应力的问题,从结构形式和材料选择方面提出了多种优化方案。研究结果表明,将反射罩底板的安装位置由外围向内圈转移、将圆形安装孔改为腰形安装孔及选择热膨胀系数小的材料均可使结构的热应力得到优化。