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空间可展结构逆设计及宇航结构的装卡研究

作　者: 寿建军
导　师: 关富玲
学　校: 浙江大学
专　业: 结构工程
关键词: 空间可展开天线四面体单元构架式天线反射面形态分析表面精度方向图几何光学法口径面矩形网格空间热变形扭簧失效星视地图赋形设计空间光学摆镜装卡变形接触非线性有限元
分类号: V423
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

星载可展开构架式天线和空间光学摆镜都属于宇航结构,要求自身质量轻、体积小,同时达到完成各自科学任务所必须的技术指标。本文以星载可展开天线和空间光学摆镜的结构对各自表面精度的影响,进而影响各自的物理性能为主线,研究了以下六个方面;单元构架式可展开天线张拉反射面的形态特性,天线远场辐射特性,部分储能弹簧失效和空间热环境对远场的影响,构架式天线的赋形,空间光学摆镜装卡变形以及光学摆镜系统动力学分析。可展开构架式天线反射面形态对其辐射特性影响显著,论文引入薄膜结构形态理论的分析方法(非线性有限元法和力密度法),对展开天线的反射面进行了形态分析。得到的结论是;当上弦节点位置全部落在设计抛物面上时,由上弦杆围成的三角平面所组成的曲面与标准抛物面的均方根误差最小。进而推导了三角平面组成曲面的最佳拟合抛物面的计算公式,编制了相应的程序。通过算例估算了Agrawal算法的误差大小。所有对天线结构的研究都是以获得优良的电磁场性能为目的,因此精确的电磁场综合算法显得尤为重要。针对可展反射面形态的具体特点,基于几何光学原理,推导了可展天线远场的电场强度计算公式,再通过把口径面划分成矩形网格,用解析方法把远场进行积分,编制了相应程序。由于该程序同样适用于标准抛物面或者任何已知缺陷的反射面的辐射场计算,通过计算同一个标准抛物面天线在相同馈源激励下的辐射场,与Rahmat-Samii的经典算法进行比较,证明了本算法的准确性。本算法直接把结构和电性能相联系,省却了均方根误差这个中间值,使得设计更直观、准确。空间可展天线进入轨道展开以后整个结构的形态会受到空间外热流和储能弹簧的影响,进而影响天线的电性能。本文计算了在夏至和冬至这两天天线运行时的瞬态温度场,及其带来的热弹性变形,和部分弹簧失效带来的结构变形,根据反射面与辐射特性的内在关系,求出了馈源的最佳安装位置。赋形天线能够把有限的能量集中在感兴趣的敏感区域,因此受到普遍关注。构架式可展开天线由于其特殊的拓扑结构,不能照搬实体反射面天线的赋形方法。论文运用惩罚函数法构造了以反射面上法线方程的参数作为优化变量的目标函数,针对多变量复杂的目标函数,选择了直接搜索法进行优化计算。编制了相关赋形程序,结合算例进行了赋形计算,结果显示区域内得到的总辐射功率增加,功率分布更加均匀;如果节点可移动的范围越大,这种趋势越明显。空间光学摆镜要求有极高的镜面质量,同时有相当的系统谐振频率,因此对摆镜的结构和装卡提出了苛刻的要求。论文设计了150mm摆镜的背架结构形式,把Zemike多项式引入到平板弹性力学方程,运用弹性地基理论建立了外圈力学方程,推导出两个等价的Bessel方程,根据特殊函数理论解出其通解。通过内外圈的变形协调条件,得到以Zemike多项式系数为变量求解外圈变形的方程组。利用广义逆求解出能够表征摆镜所有可能变形的一组零空间的基底向量。构造势能泛函,通过求解已知支臂装卡力作用下的最小势能,得到零空间基底函数的组合系数,进而求出每一个模态下的真实位移,各项系数对应的是各项Seidel像差;如果把所有位移叠加就得到了镜面误差。对于复杂的摆镜结构,有效的办法是通过有限元求解,论文最后利用ANSYS中接触非线性模块对利用压板装卡的80mm摆镜系统进行建模计算,实验论证了本有限元模型的正确性,在此基础上设计了用螺栓直接装卡的150mm摆镜系统,进行了静力和动力分析,通过改变连接刚度计算了一系列系统基本频率,根据其变化规律找到最佳装卡力。此外还验算了150mm摆镜的理论计算结果。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-11
第一章绪论  11-26
  1.1 空间可展天线  11-21
    1.1.1 空间可展天线的结构形式  11-15
    1.1.2 张力反射面形态的相关研究  15-17
    1.1.3 反射面天线方向图综合的相关研究  17-19
    1.1.4 赋形天线的相关研究  19-21
  1.2 空间光学摆镜  21-23
  1.3 本文的工作  23-26
第2章空间可展天线反射面形态及精度分析  26-49
  2.1 研究目的  26
  2.2 构架式天线概述  26-29
    2.2.1 背架结构  27-28
    2.2.2 反射面构造  28-29
  2.3 反射面形态分析  29-48
    2.3.1 数值方法介绍  29-35
    2.3.2 可展开天线形面数值计算  35-48
  2.4 本章小结  48-49
第3章空间可展天线方向图研究及应用  49-70
  3.1 研究目的  49-50
  3.2 电磁场基本理论  50-51
  3.3 反射面天线电磁场  51-53
  3.4 可展开反射面天线方向图计算  53-57
  3.5 数值算法与经典算法结果比较  57-59
  3.6 构架式天线单元杆长的设计  59-65
  3.7 馈源相位中心位置对电性能的影响  65-69
  3.8 本章小结  69-70
第4章可展开天线电性能的影响因素研究  70-104
  4.1 研究目的  70
  4.2 空间热环境对天线电性能的影响  70-83
    4.2.1 空间热源的计算  71-77
    4.2.2 热弹性变形计算  77-80
    4.2.3 热变形对辐射特性的影响  80-83
  4.3 展开过程动力学分析理论  83-85
  4.4 仿真展开后辐射特性研究  85-90
  4.5 部分弹簧失效对放射图的影响  90-103
  4.6 本章小结  103-104
第5章空间可展天线的赋形设计  104-127
  5.1 研究目的  104
  5.2 反射面赋形方法概述  104-106
  5.3 相位优化技术  106-109
    5.3.1 增益优化方法介绍  106-107
    5.3.2 空间可展天线的相位优化法  107-109
  5.4 空间可展天线赋形设计的程序实现  109-125
    5.4.1 直接搜索法介绍  109-110
    5.4.2 赋形程序流程图  110-116
    5.4.3 赋形算例  116-125
  5.5 本章小结  125-127
第6章空间太阳望远镜中摆镜装卡变形解析法  127-148
  6.1 工程背景及研究内容  127-128
  6.2 摆镜分析方法与策略  128
  6.3 摆镜结构设计  128-134
    6.3.1 摆镜材料选取  128-130
    6.3.2 摆镜轻量化及加工方法  130-132
    6.3.3 摆镜最大转动惯量的确定  132-134
  6.4 摆镜装卡变形计算  134-146
    6.4.1 研究思路  134
    6.4.2 镜面弯曲的准Zernike模型和弹性力学方程  134-137
    6.4.3 方程求解的边界条件  137-140
    6.4.4 线性方程组的建立  140-141
    6.4.5 广义逆求解线性方程组  141-143
    6.4.6 模型组合系数的求解  143-145
    6.4.7 摆镜变形计算  145-146
  6.5 本章小结  146-148
第7章摆镜系统的非线性有限元研究  148-171
  7.1 研究内容  148
  7.2 接触非线性  148-150
  7.3 80mm摆镜数值计算  150-157
    7.3.1 有限元模型  150-153
    7.3.2 摆镜变形分析  153-155
    7.3.3 有限元结果与实验结果对比  155-157
  7.4 150mm摆镜系统  157-167
    7.4.1 系统有限元模型  158-160
    7.4.2 摆镜形面精度分析  160-161
    7.4.3 系统模态分析  161-164
    7.4.4 结构的优化设计  164-167
  7.5 150mm摆镜解析解的有限元验算  167-169
  7.6 本章小结  169-171
第8章结论和展望  171-174
  8.1 结论  171-172
  8.2 进一步工作  172-174
参考文献  174-186
攻读学位期间主要的研究成果  186-187
致谢  187

空间可展结构逆设计及宇航结构的装卡研究

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