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天线结构homologous变形设计与可展结构试验及间隙研究

占甫  
【摘要】: 随着天线结构的发展,天线型面精度控制、可展天线结构节点间隙、展开过程仿真分析问题成为研究的热点。为此本文做了以下三方面的工作:1)天线桁架结构的homologous变形设计;2)含三维间隙铰空间可展桁架展开过程的动力学数值分析;3)周边环形桁架式可展天线结构展开过程的驱动力测试及展开过程仿真分析。 论文首先查阅了国内外大量相关文献,对上述三个方面的研究背景进行了阐述,说明了本文研究的必要性。并对研究现状进行了概述,最后对本文的主要工作和思路进行了总结。 接着对本文使用的广义逆矩阵数学工具进行了介绍。对Moore-Penrose广义逆的定义、性质、数值求解方法进行了总结,对广义逆矩阵在线性方程组求解、非线性方程组求解等方面应用的理论依据进行了说明。并根据广义逆矩阵的定义方程,对矩阵和其广义逆矩阵的乘积矩阵的求导公式进行了推导。为论文后续使用广义逆矩阵作为数学工具奠定了理论基础。 针对天线桁架结构变形和型面精度的矛盾,Hoerner提出homologous设计的思想。即对天线结构进行设计,使得天线在受载荷变形后的型面仍然为理想抛物面。本文第三章研究了天线桁架结构受非线性homologous变形约束的形态设计问题。将桁架结构节点分为:homologous变形节点、可变节点。从最佳吻合抛物面的思想出发,构造了非线性homologous变形约束条件。运用广义逆矩阵理论将homologous变形约束条件嵌入结构基本方程,使问题转化为求解关于可变节点坐标的非线性方程组问题。通过求解该方程组得到形态设计后的可变节点坐标。编制了相应的程序,最后通过空间桁架的算验证了本文方法的有效性。 节点间隙是满足可展机构节点动配合的必要措施,但同时使得节点连接元件在运动过程中发生间断的碰撞和冲击,引起了振动、噪声和磨损,极大影响了可动机构的动力学行为。本文第四章中含间隙机构展开过程的研究是在国防“973”预研课题支持下展开的。以空间可展桁架结构为研究对象,将含间隙可展桁架结构的运动过程划分为“分离”和“接触”2个阶段建模。全面考虑了三维旋转铰节点中轴向和径向的间隙,给出了销轴和轴套间轴向和径向最小距离的解析表达式,构造了三维间隙铰节点接触一分离的切换点判别条件。简要介绍了本课题组无间隙理想约束可展桁架展开动力学分析的广义逆方法。在此基础上,以笛卡尔坐标系下节点坐标为未知量,采用两节点杆单元模型,建立了间隙节点杆件的“T"字形模型。解除间隙铰处的约束条件,代之以随“分离”和“接触”状态变化的接触力,分段建立了含三维间隙铰节点的展开桁架结构的动力学方程。通过判断接触嵌入深度来控制数值积分步长,解决了仿真中接触穿透问题。编制了相应程序。并对含间隙可展桁架单元运动过程进行了动力学数值模拟,分析了间隙对可展桁架展开过程的影响。 由于具备高收纳率、轻质量、展开成功率高等特点,周边环形桁架式可展天线已成为研究的热点。在某大型环形桁架式可展天线项目支持下,本文第五章对某30边环形桁架式可展天线进行了驱动索张力测试和展开过程仿真分析。首先对该天线结构设计进行了简介。为了真实反映展开过程中的驱动索张力,根据实际测量需求设计了驱动索张力测量仪器。对索张力测试仪器的原理、设计思路、现场安装情况进行了阐述。观察了试验结果,采集了展开过程中索张力测量装置的动态应变数据,据此推算了展开过程中驱动索的张力数据。分析了误差产生的原因。为展开过程的仿真提供了驱动索张力数据。采用通用的多体系统动力学分析软件(ADAMS)进行仿真分析。在ADAMS/VIEW中建立周边环形桁架式可展天线的几何实体模型。仿真采用了试验测得的驱动索张力。全面考虑了可展天线的同步齿轮副、旋转副、套简滑移副、零重力悬挂点等约束,反映了结构的驱动索、节点弹簧两种驱动力,对地面展开试验环境下的天线展开过程进行了全过程动力学仿真,得到了结构展开过程中各种特征参数随时间变化的数据。考虑了摩擦导致的驱动索张力衰减,在仿真分析中再现了天线展开过程中的不同步现象。分析了造成不同步现象的原因,为周边桁架式天线的设计加工提供了依据。


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