索膜结构的构造理论和柔性天线的结构分析

论文题目: 索膜结构的构造理论和柔性天线的结构分析

论文类型: 博士论文

论文专业: 结构工程

作者: 夏劲松

导师: 关富玲

关键词: 索膜结构,动力松弛法,力密度法,非线性有限元法,形状分析,找力分析,复位平衡法,索网天线,形面精度,充气反射器,温度分析,撞击模型,自重分析

文献来源: 浙江大学

发表年度: 2005

论文摘要: 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。

论文目录:

第一章绪论

1.1 索膜结构的应用和研究

1.2 空间可展天线

1.3 本文主要工作

第二章索膜结构形状构造的几种方法

2.1 概述

2.2 动力松弛法

2.2.1 动力松弛法的原理

2.2.2 收敛准则

2.2.3 三角形单元到杆单元的转化

2.2.4 等应力的找形

2.2.5 动力松弛法的优缺点

2.3 力密度法找形

2.3.1 索网的力密度找形

2.3.2 膜的力密度找形

2.3.2.1 三角形化成三杆元的力密度法

2.3.2.2 面应力密度法

2.3.2.3 考虑子结构的面力密度法

2.3.3 力密度法的有缺点

2.4 非线性有限元法找形

2.4.1 膜单元的非线性有限元

2.4.1.1 局部坐标系下的位移函数

2.4.1.2 几何关系

2.4.1.3 刚度方程

2.4.1.4 局部坐标与整体坐标之间的转换

2.4.1.5 整体坐标系下的单元刚度矩阵

2.4.2 索单元的非线性有限元格式

2.4.2.1 局部坐标系下的位移函数

2.4.2.2 几何关系

2.4.2.3 刚度方程

2.4.2.4 局部坐标与整体坐标之间的转换

2.4.2.5 整体坐标系下的单元刚度矩阵

2.4.3 非线性方程的解法

2.4.4 等应力找形

2.4.5 考虑小杨氏模量找形

2.4.6 非线性有限元法的有缺点

2.5 本章小结

第三章索膜结构中索的形状分析

3.1 概述

3.2 微分几何的曲线论

3.3 受分布荷载的索的受力平衡分析

3.3.1 索曲线主法线向上的受力平衡分析

3.3.2 索曲线切线向上的受力平衡分析

3.3.3 索曲线副法线向上的受力平衡分析

3.4 索膜结构中索的受力分析

3.4.1 边索的受力分析

3.4.2 谷索和脊索的受力分析

3.5 索膜结构中索的形状分析

3.5.1 边索的形状

3.5.2 脊索和谷索的形状

3.5.3 数值算法索节点平面外偏差原因分析

3.6 力密度法的边索修正方法

3.7 有边索的小杨氏模量的非有限元法找形

3.8 本章小结

第四章膜结构的找力分析

4.1 概述

4.2 膜结构预应力确定的无矩理论

4.2.1 平衡方程和系数确定

4.2.2 双曲旋转面构造的张拉膜结构

4.3 预应力求解的复位平衡法

4.3.1 复位平衡法的思想

4.3.2 复位平衡法的算法

4.3.3 变形分析

4.3.4 收敛准则

4.4 复位平衡法的优化计算

4.4.1 拓扑中单元的关联

4.4.2 预应力优化

4.5 有索的张拉结构的预应力确定

4.6 索膜结构找力分析的应用

4.6.1 力密度法确定的曲面预应力确定

4.6.2 考虑小杨氏模量的非线性有限元法确定的曲面的预应力确定

4.7 索膜结构找力分析的展望

4.8 本章小结

第五章索网天线的预拉力优化计算和形面精度分析

5.1 索网天线的构造理论

5.2 反射面的形面精度

5.3 索网天线预拉力确定的优化的复位平衡法

5.3.1 索网结构复位平衡法的相似原理

5.3.2 索网结构的复位平衡法

5.3.2.1 变形分析

5.3.2.2 收敛准则

5.3.3 索网天线结构的预拉力确定和优化

5.4 几种索网天线的预应力分布

5.4.1 无环辐射状天线索网的布索和预应力优化

5.4.2 有环辐射状天线索网预拉力确定和优化

5.4.3 准测地网格天线索网的预拉力确定和优化

5.4.4 三向网格天线索网的预拉力确定和优化

5.4.5 四种布索方案的比较

5.5 各种索网天线构造的形面精度和优缺点

5.5.1 有环辐射状索网天线的形面精度和存在的问题

5.5.2 无环辐射状索网天线反射面对精度的影响

5.5.3 准测地网格索网天线形面精度和存在的问题

5.5.4 三向网格索网天线和边界的适应问题及形面精度

5.6 结论

第六章充气天线反射器的结构分析

6.1 充气硬化天线的回顾和技术要点

6.2 充气天线的参数设计

6.2.1 充气气体和气压

6.2.2 抛物面薄壳应力的解析解

6.2.3 有限元模型

6.3 充气天线的温度分析

6.4 充气天线的撞击分析

6.5 地面实验的自重分析

6.6 本章小结

第七章结论和展望

7.1 本文主要工作和结论

7.2 进一步工作的展望

参考文献

致谢

发布时间: 2005-07-15

参考文献

[1].张拉索膜结构施工过程模拟分析研究[D]. 李波.北京交通大学2008
[2].张拉索膜结构的理论研究及其在上海世博轴中的应用[D]. 向新岸.浙江大学2010
[3].空间可展天线结构的设计分析与索膜结构分析[D]. 李刚.浙江大学2004
[4].张拉索膜结构的膜褶皱与索系失效研究[D]. 赵冉.华南理工大学2011
[5].轮辐式索膜结构损伤情况下的动力性能研究[D]. 冼耀强.长安大学2013
[6].索膜结构有限元线法找形的研究[D]. 刘学林.清华大学2009
[7].索膜结构设计方法研究[D]. 毛国栋.浙江大学2004

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