超大型天线馈源索支撑系统与索网主动主反射面的力学分析与优化设计

论文摘要

随着超大口径天线与太空天线的发展，悬索结构得到了高度关注与广泛应用。新一代大射电望远镜结构就是一个典型代表，其中由6根悬索拖动馈源舱运动的索支撑系统以及能够实时调整成动态抛物面的索网主动反射面是其设计中的两大亮点，本文对这两个子系统中的力学问题进行了研究。 对于索支撑系统，采用悬索的悬链线解析表达式建立了索支撑系统的静力学模型，在此基础上推导出索支撑系统的刚度矩阵表达式以及人们最为关心的扭转刚度。 建立了索支撑系统悬挂下Stewart平台的刚柔耦合多体系统动力学模型，用以分析Stewart平台扰动对舱体位姿的影响，并且比较了6索和8索两种不同结构形式下Stewart平台扰动对舱体位姿的影响程度。 对索网主动反射面而言，设计时需要首先确定网面中索段的长度，然后寻找一个在特定条件下能够使网面在基本球面上保持平衡的状态作为结构的初始参考构型，在此基础上再将馈源照明部分调整成瞬时抛物面。 形状拟合索网反射面的精度与索段的弯曲形状有关，首先解决了索段长度的选择问题，并给出了适用于索网主动反射面的初始平衡状态的求解方法，该方法中为了获得所希望的牵引力模式可以引入节点位置优化或者索段长度优化。 引入网面节点偏差分布向量来表示索网上任一节点与理想位置的偏离程度，由此可以构成形状调整时所需产生的位移场，并给出了法向位移法和最小二乘法用于确定该位移场。根据给定的位移场可由矩阵的广义逆得到调整时需要的牵引力增量。 形状拟合索网反射面中的节点位置与索网应力状态之间高度耦合，都会影响网面的表面精度，为此，采用节点位置与应力状态同时调整的方式对形状拟合反射面进行调整，以保证在调整索网节点位置的同时还能够使得网面的应力状态满足特定的模式，从而整个网面形状达到指定的精度要求。 位置调整索网反射面在索网具有一定刚度的前提下仅要求将网面节点调整到指定的抛物面上，调整算法简单、快速。本文给出了一种空间位置调整索网反射面的设计，包括其初始平衡构型的分析，网面精度调整策略，获得了满意的调整速度和调整精度。 最后，为了降低索网反射面调整时需要的功率，在保证结构刚度和表面精度等条件下，建立了追求索网柔顺度最大同时造价最低的双目标优化模型，对索段的横截面积进行了优化。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要符号表
• 第一章 绪论
• §1.1 概述
• §1.2 新一代大射电望远镜的创新设计
• §1.3 主动主反射面的概念
• §1.4 FAST索网主动反射面的设计
• §1.5 FAST50m缩比模型
• §1.6 本文的主要工作
• 第二章 悬索结构的静态分析
• §2.1 引言
• §2.2 非线性有限元法
• §2.3 动态松弛法
• §2.4 悬索的静力学解析解
• 小结
• 第三章 索支撑系统的力学分析
• §3.1 引言
• §3.2 索支撑系统的非线性静力学模型
• §3.3 索支撑系统的刚度分析
• 小结
• 第四章 Stewart平台调整运动对索支撑系统的扰动分析
• §4.1 引言
• §4.2 两级调整系统的刚柔耦合模型
• §4.3 过约束索支撑系统的响应分析
• §4.4 Stewart平台扰动分析的简化
• 小结
• 第五章 索网主动反射面的初始平衡构型分析
• §5.1 引言
• §5.2 初始平衡构型求解的常用算法
• §5.3 索网反射面的初始平衡构型分析
• §5.4 网面中索段长度的确定
• §5.5 网面节点位置调整优化
• §5.6 索段长度的微调优化
• 小结
• 第六章 二维悬索结构的形状精度调整
• §6.1 引言
• §6.2 索网调整的简单优化模型
• §6.3 索网反射面的表面精度
• §6.4 索网反射面的网面形状精度调整
• §6.5 索网反射面调整的数值仿真
• 小结
• 第七章 空间索网结构的形状精度调整
• §7.1 引言
• §7.2 索网反射面的初始平衡构型分析
• §7.3 索网反射面网面精度的调整
• 小结
• 第八章 基于柔顺性的索网反射面优化设计
• §8.1 引言
• §8.2 索网柔顺性的优化建模
• §8.3 优化模型的求解
• §8.4 索网柔顺性的数值仿真
• 小节
• 第九章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 在读期间研究成果