桁架式展开结构设计、分析及试验

论文摘要

随着空间科技的发展,各相关学科对空间可展结构提出了更高的要求,主要体现在大口径、高精度两方面,为此各国学者提出了形式众多的空间可展结构概念。可展结构作为一种新型结构形式,近些年来得到了广泛的应用,根据其用途不同可分为空间可展结构和地面可展结构。在空间可展结构当中,四面体桁架式可展天线是其中最具潜力的结构形式之一,是本文研究的重点。本文对四面体桁架式可展天线的结构设计、分析及试验进行了深入系统的研究。论文首先在大量查阅国内外文献的基础上,总结了国内外空间可展结构的应用情况及研究现状,阐述了课题的研究意义。接着在四面体桁架式可展天线结构设计理论的基础上,开发了参数化仿真建模程序,使用AutoCAD的二次开发工具,通过lisp语言在AutoCAD中显示整个天线的实体模型;更改输入参数,可建立任何尺寸天线的实体模型,然后运用该设计程序设计并句口工了一个2m×2m的天线模型,验证结构设计程序的可靠。天线设计完成后,除了要能顺利展开之外,展开后能达到的精度也是设计者十分关心的指标,因此本文使用基于PhotoModeler软件建立摄像测量系统,对一个2m×2m的天线模型和6m×2.8m天线进行精度测量,得到天线的空间节点位置;然后采用的三种不同的方法拟合抛物面,并编程序计算;同时也采用Mathematica软件拟合抛物面;最后比较各种不同的方法,找到一个最佳吻合抛物面并得到最小均方根误差。根据结构设计可知,四面体桁架式可展天线的花盘节点不是均匀的60°,这给制造带来了很大的不便。本文研究了将天线花盘节点加工成均匀的60°时的装配内力,并编程序方便的计算这些装配内力。假设在收拢状态下,天线也有装配内力,且与展开状态下的内力相同,同时假设这些装配内力在展开过程中保持不变,然后修改基于广义逆理论编制的四面体桁架式天线展开分析程序,将装配内力引入程序中,分析其对天线展开过程的影响。航天发射是一个昂贵的项目,一旦失败,损失是巨大的,因此对空间展开结构的可靠性研究是非常必要的。论文从研究单个关节的可靠度出发,分析指出了其运动功能可靠性中包含了矩的功能函数和功的功能函数这两个并联的功能函数;利用随机函数的矩法和可靠性分析中的一次二阶矩法,为天线的展开过程中的各个分解步骤构建了按矩的功能函数和按功的功能函数对应的可靠度计算表达式;然后构建关节的失效概率函数,进一步分析其展开次数与可靠度的关系;接着使用故障树的分析方法和模糊可靠性分析法来分析整体天线的可靠度。在进行了理论分析和仿真软件的研究之后,通过垂击法对四面体桁架式可展天线进行模态测试,然后将测试结果和有限元分析结果进行对比,验证天线的有限元模型,得到天线的模态数据。用基于广义逆理论编制的环形桁架天线展开过程分析程序进行计算,分析了展开过程中驱动力的变化规律及引入运动方程的方法;选择地面零重力模拟时的两种悬吊方式,分析不同悬吊方式对展开过程的影响;考虑了网面对展开过程的影响;为了使结构在初始展开阶段易于展开,在节点上安装了扭簧,论文分析了扭簧对展开过程的影响;最后对环形桁架天线在展开过程中的刚度进行了分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• §1.1 国内外空间可展结构的分类及特点
• §1.1.1 固面展开结构
• §1.1.2 桁架式展开结构
• §1.1.3 充气展开结构
• §1.2 桁架式可展天线研究现状
• §1.3 课题的研究意义及本文主要工作
• §1.3.1 课题的研究意义
• §1.3.2 本文的主要工作
• 第二章 桁架式可展天线结构设计原理及参数化仿真建模程序开发
• §2.1 引言
• §2.2 桁架式可展天线的基本结构介绍
• §2.2.1 基本原理概述
• §2.2.2 设计步骤
• §2.2.3 结构设计的整体构思
• §2.2.4 结构的工作机理
• §2.3 参数化设计的原理及基本公式
• §2.3.1 上弦节点的坐标计算
• §2.3.2 腹杆长度计算
• §2.3.3 下弦节点坐标计算
• §2.3.4 杆件实际长度及节点各个角度的确定
• §2.4 单元模型各构件设计
• §2.4.1 第一种形式节点设计
• §2.4.2 第二种形式节点设计
• §2.5 三维显示功能开发
• §2.5.1 概述
• §2.5.2 三维线模型显示功能原理
• §2.5.3 三维实体模型显示功能原理
• §2.6 参数化仿真建模程序开发
• §2.7 结构设计算例
• §2.8 本章小结
• 第三章 桁架式可展天线精度计算及测量
• §3.1 引言
• §3.2 摄像测量设备介绍
• §3.3 2m×2m天线测量
• §3.3.1 模型介绍
• §3.3.2 测量得到的三维点坐标
• §3.4 6m×2.8m天线测量
• §3.4.1 模型介绍
• §3.4.2 测量得到的三维点坐标
• §3.5 拟合抛物面及最小均方根值的计算
• §3.5.1 概述
• §3.5.2 根据方程形式Ⅰ,编程拟合抛物面及求最小均方根值
• §3.5.3 按浅壳理论近似计算均方根值
• §3.5.4 使用Mathematica拟合抛物面及计算均方根值
• §3.6 结论
• §3.7 本章小结
• 第四章 桁架式可展天线装配内力分析及对展开过程的影响分析
• §4.1 引言
• §4.2 节点都是60°时,杆件内力分析
• §4.3 由扭簧引起的接触点内力分析
• §4.4 上述内力对展开过程仿真分析的影响
• §4.5 本章小结
• 第五章 桁架式可展天线可靠性分析
• §5.1 引言
• §5.2 单元可靠性分析
• §5.2.1 可靠性分析概述
• §5.2.2 结构运动关节简化
• §5.2.3 运动关节的可靠性分析
• §5.2.4 算例计算及分析
• §5.3 天线的可靠性预计
• §5.3.1 可靠性预计概述
• §5.3.2 单元可靠性预计
• §5.3.3 系统可靠性预计
• §5.4 故障树分析法
• §5.4.1 天线展开过程分解
• §5.4.2 天线展开过程的故障树分析
• §5.4.3 展开机构系统的可靠性分析
• §5.5 模糊可靠性分析法
• §5.5.1 模糊可靠性的定义
• §5.5.2 可靠性模糊子集
• §5.5.3 模糊故障
• §5.5.4 模糊可靠性的定义
• §5.5.5 天线单个关节的模糊可靠度计算
• §5.5.6 天线系统的模糊可靠性分析
• §5.6 本章小结
• 第六章 桁架式可展天线模态试验
• §6.1 引言
• §6.2 试验样机介绍
• §6.3 模态测试
• §6.3.1 测试设备及校准
• §6.3.2 测量时天线的状态
• §6.3.3 模态测量结果
• §6.4 有限元软件分析
• §6.5 试验结果与有限元软件分析结果比较
• §6.6 本章小结
• 第七章 环形可展天线运动学仿真分析
• §7.1 引言
• §7.2 展开分析中摩擦、悬吊力、网面及扭簧的影响
• §7.2.1 展开过程中的摩擦分析
• §7.2.2 地面零重力模拟时重力及悬吊力的影响
• §7.2.3 网面对展开过程的影响
• §7.2.4 扭簧对展开过程的影响
• §7.3 30m环形天线展开运动学仿真
• §7.3.1 仿真模型简介
• §7.3.2 仿真中采用的索力
• §7.3.3 30m天线仿真展开过程
• §7.3.4 不同情况下仿真结果的比较
• §7.4 30m环形天线展开过程中的刚度变化分析
• §7.4.1 理论基础
• §7.4.2 展开过程中刚度变化分析结果
• §7.5 本章小结
• 第八章 结论与展望
• §8.1 本文的研究成果
• §8.2 进一步的工作
• 参考文献
• 附录
• 致谢