天线结构homologous变形设计与可展结构试验及间隙研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 天线桁架结构homologous变形设计
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 国内外研究现状
• 1.2 含间隙可展结构展开过程动力学分析
• 1.2.1 研究背景
• 1.2.2 含间隙机构动力学建模方法研究现状
• 1.2.3 接触与分离的判断准则与方法研究现状
• 1.2.4 含间隙机构的间隙接触力模型研究现状
• 1.3 周边环形桁架式可展天线的研究背景及研究概况
• 1.4 本文主要工作
• 第二章 广义逆矩阵及其应用
• 2.1 引言
• 2.2 Moore-Penrose广义逆定义
• 2.3 Moore-Penrose广义逆的求解方法
• 2.4 Moore-Penrose广义逆性质
• 2.5 Moore-Penrose广义逆与线性方程处的解
• 2.5.1 线性方程组解的Moore-Penrose广义逆表达
• 2.5.2 线性方程组有解条件的Moore-Penrose广义逆表达
• 2.6 Moore-Penrose广义逆与非线性方程组的解
• 2.7 AA+矩阵值函数的求导
• 2.8 本章小结
• 第三章 基于广义逆方法的天线桁架结构homologous变形设计
• 3.1 引言
• 3.2 问题的分类
• 3.3 非线性homologous变形约束方程的建立
• 3.3.1 节点分类
• 3.3.2 最佳吻合抛物面与非线性homologous变形约束条件
• 3.4 基本方程中非线性homologous变形约束的引入
• 3.5 引入homologous变形约束条件的基本方程有解的条件
• 3.6 数值求解方法
• 3.7 homologous变形设计影响因素
• 3.8 程序编制
• 3.9 算例分析
• 3.9.1 空间桁架形态设计前的初始构型
• 3.9.2 经形态设计后的空间桁架构型
• 3.9.3 形态设计前后空间桁架上弦型面精度比较
• 3.10 本章小结
• 第四章 含三维间隙铰空间可展桁架动力学数值分析
• 4.1 引言
• 4.2 三维间隙铰节点销轴与轴套间的最小矩离的解析表达
• 4.2.1 销轴和轴套间最小距离的几何分析
• 4.2.2 销轴和轴套在销轴径向最小距离的解析表达
• 4.2.3 销轴和轴套在销轴轴向最小距离的解析表达
• 4.3 含三维间隙铰节点接触-分离切换点的预测与识别
• 4.4 无间隙理想约束可展开桁架结构展开动力学分析理论
• 4.4.1 基本动力学方程
• 4.4.2 动力学方程的解耦
• 4.4.3 动力学方程的数值解法
• 4.5 含三维间隙铰节点可展开桁架结构动力学方程的建立
• 4.5.1 含三维间隙铰节点杆件的"T"字形模型
• 4.5.2 "分离"阶段动力学方程的建立
• 4.5.3 "接触"阶段动力学方程的建立
• 4.6 接触力模型及接触力的施加方法
• 4.6.1 接触力模型及数值计算方法
• 4.6.2 接触力在"T"字型单元中的施加
• 4.6.2.1 径向碰撞力的等效施加
• 4.6.2.2 轴向碰撞力的等效施加
• 4.7 接触力施加时机及防"穿透"措施
• 4.8 程序流程
• 4.9 算例分析
• 4.9.1 间隙对铰节点内部接触力的影响
• 4.9.2 间隙对展开过程的影响
• 4.9.3 算例小结
• 4.10 本章小结
• 第五章 周边桁架式可展天线驱动索张力测试及展开过程ADAMS仿真
• 5.1 引言
• 5.2 周边环形桁架式天线结构设计简介
• 5.2.1 周边可展桁架整体概况及单元展开机理
• 5.2.2 天线节点运动副设计
• 5.2.3 反射面索网
• 5.2.4 结构选材
• 5.2.5 零重力消除方法简介
• 5.3 周边桁架式可展天线驱动索张力测量试验
• 5.3.1 测量环境
• 5.3.2 试验的基本原理
• 5.3.3 驱动索张力测试装置设计
• 5.3.3.1 "U"型构件A
• 5.3.3.2 受压构件B
• 5.3.3.3 挡块C
• 5.3.3.4 驱动索张力测试装置使用方法
• 5.3.4 总体测量系统
• 5.3.5 现场安装及测量过程
• 5.3.6 驱动索张力测试结果及数据处理
• 5.3.7 试验误差分析
• 5.4 周边环形桁架式可展天线展开过程ADAMS建模
• 5.4.1 周边环形桁架式可展天线的ADAMS三维实体建模
• 5.4.2 约束施加
• 5.4.2.1 旋转铰链约束
• 5.4.2.2 对角杆套筒约束
• 5.4.2.3 与展开臂相连竖杆处的约束
• 5.4.2.4 悬挂点约束
• 5.4.2.5 限位约束
• 5.4.2.6 同步齿轮副约束
• 5.4.3 驱动索驱动力的施加
• 5.4.3.1 摩擦导致的驱动索张力衰减
• 5.4.3.2 驱动索张力张力的施加
• 5.4.4 扭簧驱动的施加
• 5.4.5 节点摩擦
• 5.5 周边环形桁架式可展天线展开过程ADAMS仿真结果分析
• 5.5.1 考虑驱动索张力衰减和同步齿轮副约束的仿真结果
• 5.5.2 地面展开试验过程中天线不同步现象的影响因素分析
• 5.5.3 展开过程中驱动索的运动情况
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 本文的研究成果
• 6.2 进一步工作的展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢