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索膜结构的构造理论和柔性天线的结构分析

夏劲松  
【摘要】:索膜结构,索网天线和充气反射器都是柔性结构。柔性结构必须在施加预应力的情况下才能成为结构而正常工作。索膜结构和可展天线等柔性结构的形状构造和内力确定是论文研究的主线。本文主要研究了以下五大部分内容:索膜结构的找形分析,索膜结构中索的形状和受力分析,膜结构的找力分析,索网天线中索的预拉力确定及优化和形面精度分析,充气反射器的模型参数分析和太空载荷分析。 索膜结构的找形分析是索膜结构构造理论最重要的内容之一。本文系统的回顾和研究了动力松弛法、力密度法和非线性有限元法。并且对它们的改进方法,比如三角形单元转化成三杆单元的力密度法、面力密度法、考虑子结构的面力密度法和小杨氏模量的非线性有限元法进行了深入的探讨。结合算例和具体的工程实例,阐述了各种方法的优缺点和对相应问题的解决措施。对索膜结构找形分析的回顾和研究为论文的展开做了必要的铺垫。 结合微分几何的曲线论和分布荷载作用下索的受力模型,研究了索膜结构中边索、脊索和谷索的受力分析和形状分析。获得了膜的各向预应力、索的预拉力和索的形状之间的内在联系。提出了边索预拉力修正的力密度法和有边索的小杨氏模量的非线性有限元法。 找力分析是对给定的形状进行自平衡预应力的计算。通过对膜结构的无矩理论的研究,获得了膜曲面形状和相应的自平衡预应力之间的解析式。基于相似原理结合非线性有限元法提出了膜结构找力分析的复位平衡法,根据形面的拓扑关系对复位平衡法进行了优化。使用优化的复位平衡法对力密度法和小杨氏模量的非线性有限元法找形确定曲面的自平衡预应力进行了分析和优化。展望了找力分析理论对已建索膜结构的自平衡预应力检测的应用前景。 环形桁架索网天线索网面也需要通过找力分析进行自平衡预拉力的确定和优化。文章阐述了索网面预拉力确定和优化的复位平衡法。对四种不同布索形式的索网天线面进行了预拉力的确定和优化,获得了这四种索网天线预拉力分布的特征和相应的优缺点。然后对索网天线布索和形面精度的关系、金属反射面对形面精度的影响和边界约束和布索的关系等问题进行了研究。从而为不同口径和形面精度的索网天线如何选择布索形式提供了明确的答案。 充气反射器也是柔性天线的一种。结合充气反射器的特性,对反射器的内部气压、预应力分布和有限元模型等参数进行了深入的研究。在此基础上,提出了充气反射器温度分析、撞击分析和地面实验自重影响分析的计算模型。通过研究温度变化对形面精度的影响和分析撞击时对碎片能量吸收的情况,为反射器材料的研制指明了一定的方向。自重影响的分析为反射器模型地面实验精度测量提供了理论依据。


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