充氣可展開(kāi)天線精度及展開(kāi)過(guò)程分析研究.pdf

1、為了實(shí)現(xiàn)星載天線的大口徑、低能耗、輕質(zhì)量、小運(yùn)載體積，和機(jī)械可展開(kāi)天線相比，充氣可展開(kāi)薄膜天線結(jié)構(gòu)技術(shù)具有很多的優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)大口徑甚至超大口徑天線的理想選擇。天線工作狀態(tài)的形面精度是天線最重要的結(jié)構(gòu)指標(biāo)，直接影響天線的電性能和使用。充氣可展開(kāi)天線能否最終可靠有序地展開(kāi)并保持其工作狀態(tài)，是航天任務(wù)能否成功的關(guān)鍵。本文對(duì)充氣可展開(kāi)天線的高精度反射面實(shí)現(xiàn)技術(shù)、褶皺分析方法、展開(kāi)過(guò)程分析等幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究。 論文首先在大

2、量查閱國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)了國(guó)內(nèi)外空間充氣可展開(kāi)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用情況及研究現(xiàn)狀，對(duì)課題的研究意義和研究思路進(jìn)行闡述。 給出了張量表示的薄膜結(jié)構(gòu)的幾何非線性有限元法。薄膜采用9節(jié)點(diǎn)Lagrangian曲面單元和三角形單元，索采用兩節(jié)點(diǎn)直線單元。提出了假想衰減項(xiàng)法，用以分析無(wú)預(yù)應(yīng)力薄膜結(jié)構(gòu)，避免了剛度矩陣奇異而不能求解的問(wèn)題。據(jù)此編寫了充氣薄膜結(jié)構(gòu)的有限元分析程序。 為實(shí)現(xiàn)天線的高精度反射面，分別研究比較了兩種成形理論。針對(duì)平

3、面-拋物面型充氣可展開(kāi)天線反射面，利用彈性力學(xué)分析形面，研究了天線在軌時(shí)溫度變化對(duì)反射面形面的影響，并用自編程序進(jìn)行驗(yàn)證。針對(duì)拼接拋物反射面，為了實(shí)現(xiàn)充氣變形后的反射面逼近拋物面，經(jīng)過(guò)保形分析，裁剪設(shè)計(jì)，裁剪片拼接，分析得到充氣變形前的曲面，在充氣氣壓作用下變形成最終的高精度充氣反射面。 利用自編程序?qū)ζ唇訏佄锾炀€反射面進(jìn)行反射面精度的參數(shù)分析，包括材料屬性、厚度、內(nèi)壓、反射面焦距等。針對(duì)地面驗(yàn)證試驗(yàn)的三種實(shí)驗(yàn)姿態(tài)，分析重力對(duì)反

4、射面形面的影響；對(duì)2米口徑充氣可展開(kāi)天線結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，利用有限元軟件ABAQUS建立有限元模型，分析結(jié)構(gòu)的固有頻率和對(duì)應(yīng)振型，分析中考慮了充氣氣體和反射面薄膜之間的流固耦合作用，采用聲音介質(zhì)模擬充氣氣體對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的作用。研究了天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能的影響。 褶皺現(xiàn)象大量出現(xiàn)在充氣可展開(kāi)薄膜結(jié)構(gòu)中，在自編的有限元程序中增加褶皺分析模塊。用綜合準(zhǔn)則判別薄膜處于三種不同的受力狀態(tài)：張拉、褶皺、松弛。利用張力場(chǎng)理論分析褶

5、皺發(fā)生的區(qū)域和方向，分析充氣展開(kāi)天線的褶皺出現(xiàn)情況?；趶椈?質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)提出了新的褶皺處理方法，此方法不但能分析褶皺的區(qū)域和方向，能夠預(yù)測(cè)褶皺的三維形狀和大小。 從樹(shù)葉的仿生學(xué)出發(fā)，總結(jié)出平面薄膜結(jié)構(gòu)的幾種折疊方式。建立彈簧-質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)描述薄膜材料，模擬薄膜結(jié)構(gòu)的展開(kāi)過(guò)程。薄膜展開(kāi)過(guò)程中薄膜不可避免地發(fā)生自身的接觸碰撞，提出了自接觸對(duì)的判別準(zhǔn)則，采用罰函數(shù)法有效地解決薄膜自接觸問(wèn)題。對(duì)三種折疊方式的薄膜的展開(kāi)過(guò)程進(jìn)行比較，葉外折疊方

6、式和Miura折疊法比較適合平面薄膜的折疊。開(kāi)發(fā)了充氣可展開(kāi)薄膜結(jié)構(gòu)展開(kāi)過(guò)程仿真程序，詳細(xì)介紹了程序的流程圖。設(shè)計(jì)了充氣圓環(huán)管、充氣反射面和充氣直管的折疊方式，分析展開(kāi)驅(qū)動(dòng)力的作用機(jī)理和簡(jiǎn)化模型，利用流體場(chǎng)理論分析氣囊內(nèi)的氣壓變化，利用展開(kāi)過(guò)程仿真軟件對(duì)模型進(jìn)行展開(kāi)過(guò)程分析，得到展開(kāi)過(guò)程的各個(gè)狀態(tài)和各個(gè)點(diǎn)的展開(kāi)速度。分析結(jié)果也驗(yàn)證了折疊方式的合理性。 研制2m口徑的充氣反射面模型，介紹了花邊設(shè)計(jì)和加工工藝?；赑hotoMode