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大型星载可展开天线的动力优化设计与工程结构的系统优化设计

罗鹰  
【摘要】:本文的研究工作由两部分组成:一是大型星载可展开天线的动力优化设计,二是工程结构的系统优化设计。大型星载可展开天线动力优化的研究工作是总装备部“十五”重点预研项目—大型可展开天线技术的一部分,主要包括以下几个方面: 1.论述了当前大型星载可展开天线的研究现状,提出了我国在可展开天线设计,特别是在可展开天线动力优化设计方面存在的问题,说明了开展星载可展开天线动力优化研究的必要性与艰巨性。 2.根据星载天线反射面结构形式、天线展开驱动类型的不同,分别对星载可展开天线结构进行了归纳总结,并就星载可展开天线所用材料进行了有针对性的介绍,对星载天线未来的发展趋势进行了展望。 3.通过对索网结构几何非线性的分析研究,建立了周边桁架式可展开天线结构的非线性静力分析与动力分析计算模型,并将其应用于实际天线结构的计算中,取得了合理的计算结果。 4.对周边桁架式可展开天线结构动、静力性能以及各种设计参数对其性能的影响进行了系统地分析,建立了周边桁架式可展开天线结构处于展开状态时的动力优化模型,该模型以拉索单元预张力和周边桁架单元横截面积为设计变量,以天线反射面精度、结构最低固有频率、频率禁区以及结构强度等为约束,以结构重量(或质量)为目标函数。 5.针对周边桁架式可展开天线动力优化模型具有高非线性、设计变量类型复杂、求解规模大等困难,提出了将遗传算法(GA)引入可展开天线动力优化设计中的思想,利用改进后的遗传算法对优化模型进行了优化计算,取得了合理的优化结果。 6.根据星载可展开天线具有结构两态性的特点,首次尝试了同时考虑两种状态—发射时的收拢状态和工作时的展开状态下的可展开天线动力优化设计,建立了同时考虑星载天线处于两种状态下的动力优化模型,并将其应用于实际天线的优化设计中,取得了合理的优化结果。 7.为解决周边桁架式可展开天线处于收拢状态时结构复杂,计算难度大的困难,提出了基于结构刚度等效准则的复杂结构简化计算方法,据此对可展开天线处于收拢状态时的结构模型进行了简化处理,建立了相应的计算模型,推导了结构参数的等效计算公式,并对各材料参数对结构特性,特别是结构动力性能的影响做了较深入分析。 8.比较了三种星载天线常用拉索布局类型的特点,分析了拉索系统布局改变 西安电子科技大学博士学位论文 对结构精度、天线重量以及结构动力性能的影响。建立了可展开天线的布局优化 数学模型,该模型以天线拉索系统中上、下悬索数量、以及中间调节索数量作为 设计变量,在优化过程中同时考虑结构的精度约束和结构重量约束,并通过算例 对模型进行了验证。 本文第二部分关于工程结构系统优化的研究工作得到了国家自然科学基金项 目一大型天线结构系统优化设计的支持,文中对结构系统优化设计进行了初步的 探讨,取得了一些有益的结果。主要包括以下几个方面: 1.提出了基于遗传算法思想的结构系统优化方法,将各类设计参数(结构类 型、结构拓扑、形状及截面变量)统一考虑,使得设计人员能够完成对结构各层 次变量的同步优化设计。 2.分析比较了拓扑优化设计中存在的两类方法一进化法和退化法的特点,针 对现有进化法存在的问题,提出了一种新的进化式布局优化设计方法一三角网格 进化法,通过数值实验验证了该方法的有效性。 3.首次提出将结构类型作为设计变量,建立了结构类型优化设计模型,数值 试验结果说明了模型与方法的正确性与有效性。 4.首次提出了结构支撑优化问题,将结构支撑条件划分为支撑位置优化和支 撑类型优化两个层次,提出了结构支撑条件优化设计的策略与方法,并将其应用 于典型数值算例的计算,取得了合理的结果。 关键词: 等效模型 可展开天线索网结构几何非线性 等效模量布局优化系统优化拓扑 动力优化遗传算法 类型优化支撑条件


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