星载合成孔径雷达天线结构的有限元分析

论文摘要

当航天器沿空间轨道飞行时,其相对于太阳和地球的位置不断发生变化,同时受到各种遮挡关系的影响使得航天器要受到较大幅度的高低温变化,从而使结构产生弯曲和变形。对于对型面精度要求较高的星载天线,若不进行合理的热设计,就有可能使天线结构产生较大变形,影响其电性能。所以星载天线的在轨温度及热变形理论分析研究具有重要的意义。本文分析了航天器在轨运行的工作环境及空间环境对其产生的影响。以一个15m×1.5m某平面天线为例,研究其在宇宙空间环境中的热平衡关系。该天线采用蜂窝夹层结构材料,应用软件分析前需要进行预先的等效处理。文中采用等效板理论进行等效计算。从约束方式入手进行研究,改变该天线模型传统的固定支撑方式,提出浮动式支撑方案并建立该天线的浮动式支撑模型。建立了天线有限元分析模型,对天线模型进行了模态分析。通过对天线模型的模态分析,得到了天线的固有振动频率和振型。确定了卫星星体结构与天线结构之间的谐振关系及天线的合理基频。为避免天线与星体结构的动态耦合提供了依据。为卫星总体设计提供模态参数。在星体的设计时应该使天线基频与其他大型附件如太阳帆板的基频错开。采用实体单元建立有限元模型,计算出在固定支撑方式和浮动支撑方式下温度梯度引起的热应力及热变形。而传统分析方法是按壳单元建立模型,忽略了温度梯度引起的热变形。分析结果表明:位移部分释放的浮动支撑方式比位移完全约束的固定支撑方式能够释放更多的结构热应力,抑制结构的翘曲变形,有利于保持平板结构的平面度。从而可以减薄天线模型,达到重量减轻的效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外发展现状
• 1.3 课题的来源及目的
• 1.4 课题的主要研究内容
• 第2章 天线模型的建立及等效计算
• 2.1 天线材料的结构及特点
• 2.2 卫星天线蜂窝夹层板结构的等效计算
• 2.2.1 三明治夹心板理论
• 2.2.2 蜂窝板理论
• 2.2.3 等效板理论
• 2.3 天线模型结构的建立及各参数的选择与计算
• 2.3.1 天线模型的结构
• 2.3.2 浮动式支撑结构
• 2.3.3 天线模型各参数的选择与计算
• 2.4 本章小结
• 第3章 天线模型的模态分析
• 3.1 有限元法在动力学方程中的应用
• 3.1.1 有限元法简介
• 3.1.2 结构的动力学方程
• 3.2 模态理论及天线模型的分析
• 3.2.1 模态理论
• 3.2.2 天线模型的模态仿真分析
• 3.2.3 固有频率的意义及其提高方法
• 3.3 本章小结
• 第4章 基于有限元的天线模型热性能分析
• 4.1 热应力的产生及解决方法
• 4.1.1 热应力原理
• 4.1.2 热弹性基本方程
• 4.1.3 热导率的计算
• 4.2 基于有限元的天线模型热应力及热变形分析
• 4.2.1 引言
• 4.2.2 天线模型的热应力分析
• 4.2.3 温度梯度引起天线模型热变形分析
• 4.2.4 高温低温工况天线模型热变形分析
• 4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢